WO2020157426A1 - Fabrication additive par modulation de vitesse de balayage - Google Patents

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WO2020157426A1
WO2020157426A1 PCT/FR2020/050130 FR2020050130W WO2020157426A1 WO 2020157426 A1 WO2020157426 A1 WO 2020157426A1 FR 2020050130 W FR2020050130 W FR 2020050130W WO 2020157426 A1 WO2020157426 A1 WO 2020157426A1
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WO
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point
laser beam
powder
powder layer
temperature
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/050130
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English (en)
Inventor
Gilles WALRAND
Christophe Tournier
Sylvain LAVERNHE
Kamel ETTAIEB
Original Assignee
Addup
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Ecole Normale Superieure Paris-Saclay
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Publication date
Application filed by Addup, Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs), Ecole Normale Superieure Paris-Saclay filed Critical Addup
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the general field of selective additive manufacturing. STATE OF THE ART
  • Selective additive manufacturing consists in producing three-dimensional objects by consolidating selected areas on successive layers of pulverulent material (metallic powder, ceramic powder, etc.).
  • the consolidated zones correspond to successive sections of the three-dimensional object. Consolidation takes place, for example, layer by layer, by total or partial selective melting carried out with a power source.
  • high power laser sources or electron beam sources are used as the source for melting the powder layers.
  • the maximum temperature reached by the powder can exceed the evaporation temperature, and the temperature field within a layer of powder present large gradients.
  • the loss of material by evaporation and the strong gradients cause residual stresses which have an effect on the mechanical characteristics of the object, in particular local deformations, cracks of the order of a micrometer or even beyond, leading to micro cracks and layer dislocations. There is therefore a need to better control the temperature field of the powder layer during the manufacturing process.
  • a general aim of the invention is to overcome the drawbacks of the additive manufacturing processes of the prior art.
  • an aim of the invention is to provide a solution for better controlling the temperature field during the process.
  • the aim is achieved in the context of the present invention by virtue of a method of selective additive manufacturing of a three-dimensional object from a layer of powder, the method comprising the steps of:
  • the estimated temperature variation being a function of a predetermined time interval separating the emission on the first point and transmitting at the second point and the distance between the first point and the second point which is equal to the product of the slew rate adjusted by the predetermined time interval.
  • the estimated temperature variation DT is estimated beforehand, as a function of the distance ru between the first point and the second point and of the predetermined time interval (t2-ti), by calculating:
  • Qi being an energy received by the layer during the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer
  • e being a thermal effusivity of the powder layer
  • R being a ray of the laser beam
  • a being a thermal diffusivity of the powder layer and to is a predetermined instant.
  • the method further comprises steps of:
  • the distance separating the (n-1) th point and the n-th point being equal to the product of the scanning speed adjusted by the time interval separating the transmission on the (n-1) th point and the transmission on the n-th point.
  • Each i-th point of the (n-1) first points of the layer is located at a distance r ni from the n-th point of the powder layer such that r ni ⁇ Vl du in which VI is a predetermined spatial neighborhood, and each i-th point corresponds to an instant t of emission of the laser beam towards the i-th point such that
  • ⁇ Vt, in which Vt is a predetermined temporal neighborhood, with i 1, 2, ... (n-1), and n an integer greater than or equal to two.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam as a function of an estimate of a temperature of the powder before consolidation Tp (t n ) at an instant t n at an n-th point of the layer also depends on a predetermined threshold temperature Ts.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam depends on the position of an n-th ideal point located on a predetermined path so that the sum of an estimate of a preheating temperature at time t n at n-th ideal point and an estimate of a temperature variation of the powder layer at the n-th ideal point due to the emission at time t n of a laser beam towards the n-th ideal point so as to consolidate an n-th zone of the powder layer comprising the n-th ideal point, is equal to the predetermined threshold temperature Ts.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam depends on an ideal speed Vj, n calculated as the ratio of the distance between the n-1 -th point of the powder layer and the n-th ideal point on the time interval separating the transmission on the (n-1) th point and the transmission on the n-th point.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam takes into account a maximum kinematic stress of an additive manufacturing device.
  • the maximum kinematic stress of an additive manufacturing device is maximum speed, maximum acceleration, maximum jerk, or CNC processing time.
  • the threshold temperature Ts is predetermined as a function of at least one temperature objective chosen from the following conditions:
  • the laser scans a discontinuous path comprising a first group of portions of straight lines parallel to each other.
  • the laser scans a continuous path comprising the first group of portions of lines parallel to each other and a second group of portions of lines, each portion of the line of the second group joining a first end of a first portion of the line of the first group and a second end of a second right portion of the first group, the second right portion being adjacent to the first right portion.
  • the estimation of the temperature variation of the powder layer at the n-th point caused by the emission of the laser beam so as to consolidate one or more areas of the powder layer is carried out once the manufacturing process has started. Also disclosed is a selective additive manufacturing apparatus suitable for performing the methods as described in this section.
  • the invention relates to an apparatus for selective additive manufacturing of a three-dimensional object from a layer of powder, the apparatus comprising:
  • control unit configured to control the laser-like source so that the source emits a laser beam on a first point of the additive manufacturing powder layer, so as to consolidate a first area of the powder layer including the first point ,
  • the device further comprising:
  • a memory for storing an estimated temperature variation of the powder layer at a second point of the powder layer caused by the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer
  • control unit is configured for:
  • the laser-type source so that the source emits a laser beam on the second point so as to consolidate a second zone of the layer powder comprising the second point, the estimated temperature variation being a function on the one hand of a predetermined time interval separating the emission on the first point and the emission on the second point and on the other hand on the distance separating the first point and the second point which is equal to the product of the slew rate adjusted by the predetermined time interval.
  • the apparatus can be supplemented by a computer or a simulator suitable for determining estimates of temperature variations of the powder layer at an n-th point caused by emission of the laser beam so as to consolidate one or more areas of the powder layer once the manufacturing process has started.
  • Figure 1 is a schematic representation of an additive manufacturing apparatus according to a possible embodiment of the invention.
  • FIG. 2 schematically represents a path located on the surface of a layer of powder and scanned by a laser beam
  • FIG. 3 schematically represents a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a technique known from the prior art
  • FIG. 4 schematically represents changes during a scanning of a powder layer by a laser beam, according to a technique known from the prior art, of a temperature objective, of a temperature of the powder at the center point of the laser spot and a scanning speed of the laser beam;
  • FIG. 5 schematically represents a temperature map reached by the powder at the center point of the laser spot, according to a technique known from the prior art
  • FIG. 6 schematically represents changes during a scanning of a powder layer by a laser beam according to a possible embodiment of the invention of a temperature objective, from a temperature of the powder to center point of the laser spot and a scanning speed of the laser beam;
  • FIG. 7 schematically represents a map of the scanning speed of the laser beam reached, according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 8 schematically represents a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a possible embodiment of the invention
  • FIGS. 9a and 9b schematically represent a detail of a path on the surface of a layer of powder scanned by a laser beam according to two techniques known from the prior art;
  • FIG. 10 schematically represents a path on the surface of a layer of powder scanned by a laser beam
  • FIGS. 11 and 12 diagrammatically represent changes during a scanning of a layer of powder by a laser beam according to possible embodiments of the invention of a temperature objective, of a temperature of the powder at the center point of the laser spot and a scanning speed of the laser beam;
  • FIG. 13 schematically represents a map of the scanning speed of the laser beam, according to a possible embodiment of the invention.
  • FIG. 14 schematically represents a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by a laser beam according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 15 schematically represents a method for determining a spatial neighborhood and a temporal neighborhood of a point of the powder layer
  • FIG. 16 schematically represents a spatial neighborhood and a temporal neighborhood of a point of the powder layer
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 of FIG. 1 comprises: a support such as a horizontal plate 123 on which the various layers of additive manufacturing powder are successively deposited. (metal powder, ceramic powder, etc.) making it possible to manufacture a three-dimensional object (object 122 in the shape of a tree in FIG. 1),
  • this arrangement 124 comprising for example a squeegee 125 and / or a layering roller for spreading the different successive layers of powder (movement according to the double arrow A),
  • an assembly 128 comprising at least one laser-type source 1212 for the fusion (total or partial) of the thin layers spread, the laser beam generated by the source 1212 comes into contact with the thin layers spread in the plane of powders, c ' that is to say in the plane where the powder layer has been spread by the squeegee 125.
  • control unit 129 which controls the various components of the device 121 according to pre-memorized information (memory M),
  • a mechanism 1210 to allow the support of the plate 123 to be lowered as the layers are deposited (movement according to the double arrow B).
  • At least one galvanometric mirror 1214 makes it possible to orient and move the laser beam coming from the source 1212 relative to the object 122 according to the information sent by the control unit. control 129. Any other deflection system can of course be considered.
  • the components of the device 121 are arranged inside a sealed enclosure 1217 which can be connected to an air or inert gas treatment circuit.
  • the air or inert gas treatment circuit may further be adapted to adjust the pressure within the sealed enclosure 1217 below or above atmospheric pressure.
  • FIG. 2 schematically represents a path situated on the surface of a layer of powder and scanned by a laser beam.
  • the powder layer is scanned by a laser beam in zig zags or back and forth so as to gradually consolidate the powder layer.
  • the laser is emitted to a first point of the powder layer and sweeps at constant power and constant speed the powder layer along a first straight portion oriented in the direction of an X axis up to a point Bi.
  • the first portion on the right corresponds to a value of the Y coordinate close to 0 and is scanned in the positive direction of the X axis.
  • the length of the right portion Bi is in this example equal to one millimeter.
  • Scanning the first right portion with a laser beam locally supplies the powder layer with enough energy to melt the powder and consolidate an area of the layer that includes the first right portion.
  • the laser emission to the powder layer is then interrupted.
  • the laser emission is reactivated so that the laser scans at constant power and constant speed a second portion of the line from a point B2 to a point A2.
  • This right portion is parallel to the first right portion.
  • the second right portion corresponds to a value of the Y coordinate greater than that of the previous right portion, and is scanned in the negative direction of the X axis.
  • the length of the second portion on the right is the same as that of the first portion.
  • the emission of the laser is interrupted, then reactivated to scan at constant power and constant speed in the positive direction of the X axis a third straight portion from a point A3 to a point B3.
  • This right portion is parallel to the two previous straight portions, corresponding to a value of the Y coordinate greater than that of the two preceding straight portions.
  • the length of all the right-hand portions is one millimeter.
  • FIG. 3 diagrammatically represents a maximum temperature field reached by the powder, as it is scanned by a laser beam along the path described in FIG. 2.
  • the temperature during the manufacturing process can be determined by digital simulation at any point in the powder layer.
  • this is the end that is scanned first by the laser.
  • the zone Zi shown in Figures 2 and 3 corresponds to such points of the powder layer. They are located towards the end of the third portion from the right which is scanned first by the laser.
  • the most important maximum temperatures correspond approximately to a temperature of 3500 Kelvins. This temperature may exceed the temperature vaporization of additive manufacturing powder. This is the case in particular when the additive manufacturing powder is composed of TÎ6A14V, the vaporization temperature of which is 3473K.
  • the vaporization of the powder can produce gaps in the manufactured article and spatter on already solidified areas, which can deteriorate the quality, the surface finish and the mechanical characteristics of the manufactured article.
  • the highest maximum temperatures are reached at points in the powder layer which are located relatively close to the points where the maximum temperatures are the least, around 1800K.
  • the zone Z represented in FIGS. 2 and 3 corresponds to points of the powder layer where the maximum temperatures are the least important. Zone Z is located close to zone Z.
  • Relatively strong temperature gradients are located between zone Z and zone Z of the powder layer. More generally, the start of the sweep of a new right-hand portion is associated with relatively strong temperature gradients.
  • FIG. 4 schematically represents the changes in different magnitudes as a layer of powder is scanned by a laser beam along the path shown in FIG. 2 and as described above, the different sizes being:
  • a temperature objective to be reached at the center of the laser spot 40 a temperature of the powder at the center point of the laser spot 42, and a scanning speed of the laser beam 44.
  • the scanning speed of the laser beam 44 represented as a function of time shows the scanning times of each straight portion mentioned above in the description of FIG. 2.
  • the scanning speed of the powder layer by the laser beam is in this situation 1 meter per second.
  • the sweep speed during the discontinuity from a right portion to the next right portion on curve 44 is programmed at 6m / s.
  • the laser beam scans each portion of the line in a millisecond.
  • the speed curve 44 of the laser beam over time corresponds to a series of plates separated by peaks.
  • each straight portion is performed at constant speed, which corresponds to the plates of curve 44. Between two straight portions, the laser beam is turned off. The means of moving the laser beam are actuated so that the emission of the laser beam resumes quickly at the start of the next straight portion. This corresponds to the peaks of curve 44.
  • Each instant u located on the horizontal axis of Time corresponds to a point M of the powder layer located on the path towards which the laser is emitted at the instant u.
  • the center of the laser spot sweeps the point M at the instant u.
  • laser spot is meant the laser spot corresponding to a cross section of the laser beam located at the intersection between the laser beam and the powder layer.
  • the laser spot can have a circular shape.
  • Curve 40 represents an objective for the temperature of the powder at the center point of the laser spot. More precisely, this is a temperature of the powder to be reached without being exceeded at a point of the powder layer scanned by the center of the laser spot at the instant of passage of the laser.
  • Curve 42 represents the temperature of the powder at the center point of the laser spot. It corresponds to the estimate of the temperature of the powder at point M just after the instant u.
  • Curve 42 is obtained by digital simulation.
  • the temperature of the powder before consolidation is called an estimate of the temperature Tp of the powder layer at the point M, just before the instant u. This estimate characterizes the diffusion at point M of the energy supplied before the instant u by the laser beam to the powder layer.
  • the temperature of the powder at the center point of the laser spot depends on the temperature of the powder before consolidation.
  • This estimate takes into account the energy supplied by the laser to point M at instant u as well as the scattering at point M of the energy supplied before instant u by the laser to the powder layer.
  • Curve 42 shows a sharp drop in signal around each transition from one portion of the line to the next portion of the line. This signal drop is followed by a sharp increase and then a slower decrease during the next plateau of curve 44 before exhibiting another sharp drop in signal around the end of this next plateau.
  • the scanning of a right portion of the powder layer corresponds to a temperature of the powder at the center point of the laser spot which is weak at the start of the scan, then suddenly much higher before decreasing. more and more until the end of the sweep of the right portion.
  • FIG. 5 schematically represents a temperature map reached by the powder at the center point of the laser spot, when the powder layer is scanned by a laser beam along the trajectory of FIG. 2 and as described above. high.
  • FIG. 5 and curve 42 of FIG. 4 provide two representations of the same quantity, temperature reached by the powder at the center point of the laser spot. For FIG. 5 this representation is spatial, while for curve 42 of FIG. 4 this representation is temporal.
  • the temperature at the center point of the laser spot is low at the start of scanning of a portion of the line, then suddenly much higher.
  • the zones Z3 a , ⁇ 3 b and Z3 c identified in FIG. 5 correspond to this variation. Once this sudden increase has passed, the temperature at the center point of the laser spot decreases more slowly until the end of the scanning of the right portion.
  • part of the energy supplied by the laser diffuses to the next right portion in the order of the laser scanning.
  • the next right-hand portion is heated, and in particular in the area opposite the points which have just been scanned by the laser. Over time, the energy diffuses more into the powder, so that the energy from the swept right portion which diffused at points in the area opposite the next straight portion passes through a maximum before decrease.
  • the emission of the laser beam towards the powder layer is interrupted at the end of the scanning of the right portion, then reactivated at the start of the next right portion. This discontinuity causes a decrease in the energy input from a right portion to the next right portion.
  • the temperature of the powder before consolidation is lower at the very beginning of the right-hand portion compared to the rest of the right-hand portion.
  • the temperature at the center point of the laser spot depends in particular on the temperature before consolidation at the scanned point, that is to say on the energy coming from the previous straight portion which is present at this point at the time of its scanning by the laser.
  • the sixth and seventh portions P6 and P7 are indicated in FIG. 5. They are scanned in the direction of arrows F6 and F7. Different zones have been identified in these portions, they are scanned by the laser in the following order: Z a, Zôa, Zs a , Z4 a , Z4t > , Zsb, Zôb and Zzb.
  • the energy received in the zone Z ôa which diffused in the zone Z ôb at the time of the scanning of the zone Z ôb is:
  • zone Z7 b greater than the energy received in the area which broadcast in zone Z7 b at the time of scanning of zone h.
  • the temperature field illustrated in FIG. 5 corresponds to the temperature field at the center point of the laser spot. This field is inhomogeneous with strong temperature gradients, in particular at the ends of the right-hand portions which are scanned first.
  • a method is proposed in order to better control the temperature field reached by the powder at the center of the laser spot and consequently the maximum temperature field reached, by modulating the scanning speed of the laser during the scanning of the powder.
  • a path in the layer of powder to be scanned by the laser is chosen. This trajectory can be virtually cut into segments Sn. Each Sn segment can be characterized in particular by an n-th “accessible point” of the powder layer included in the Sn segment and an instant t n from which the segment is scanned by the laser.
  • a calculation of the scanning speed of the laser beam with which each segment is scanned is performed in the order of scanning of the different segments.
  • this calculation includes the following steps: calculation of an estimate of the temperature of the powder before consolidation at various study points of the powder layer located on the trajectory downstream of the (n-1) -th accessible point of the powder layer, the estimate depending variations in the temperature of the powder due, at the point of study of the powder layer and at the instant t n , to the emission of a laser beam so as to scan the n-1 segments located upstream in the trajectory, each of the n-1 segments being scanned with a previously calculated scanning speed of the laser beam,
  • n-th ideal point as the study point for which the estimate of the study temperature of the powder at the center point of the laser spot is equal to a threshold temperature Ts which is a temperature of the layer at reach without being exceeded at the center point of the laser spot, determination of an ideal scanning speed Vj, n calculated as the ratio of the distance between the (n-1) -th accessible point of the powder layer and the n-th ideal point at the predetermined time step (t n - t ni ).
  • the modulation of the scanning speed of the laser beam is calculated for all segments in their scanning order.
  • the segments can be scanned at constant or variable power of the laser beam.
  • t n t ni + D ⁇
  • At is a time step which can be constant for the whole of the trajectory.
  • a variable time step can also be used.
  • Figure 6 corresponds to the application of such a method in the case of scanning a layer of powder by a laser beam along a zig-zag-type path, as in the case of Figure 2.
  • FIG. 6 schematically represents the changes in different magnitudes as the scanning progresses, the different magnitudes being: a temperature objective to be reached at the center of the laser spot 60, a temperature of the powder at the center point of the laser spot 62 , and a scanning speed of the laser beam 64.
  • the curves 62 and 64 are obtained by digital simulation.
  • the quantities represented in the curves 62 and 64 are defined respectively in the same way as the quantities represented in the curves 42 and 44 but in the case where the method is applied to better control the temperature field.
  • the temperature target curve to be reached at the center of the laser spot 60 is constant over time. This means that the temperature of the layer to be reached without being exceeded at the center point of the laser spot is the same during the scanning of the laser and the manufacturing process. This temperature can be called the threshold temperature Ts.
  • the curve of the scanning speed of the laser beam 64 over time exhibits areas of abrupt variations, the first of which occurs shortly after one millisecond. These variation zones correspond to the transitions from a right portion to the next right portion for which the scanning speed is programmed at 6m / s. These variation zones exhibit in particular a sudden increase in the scanning speed followed by a slower decrease.
  • This variation profile should be compared to that of the variations of curve 42 in FIG. 4.
  • the scanning speed increases sharply at the start of scanning of a right-hand portion, and more precisely for the zones as they have been described in relation to FIG. 5 where the temperature of the powder at the center point of the laser spot passes through a peak in the absence of modulation of the scanning speed of the laser beam.
  • the powder temperature curve at the center point of the laser spot 62 in Fig. 6 does not show values that lie above the target temperature curve 40.
  • curve 62 does not present peaks as on curve 42 at the start of the scan of each straight portion.
  • Curve 62 has troughs and the amplitude of the variations of curve 62 is less than the amplitude of variations of curve 42: curve 62 evolves between the temperature values 1500K and 2300K, i.e. an interval of 800K, while the curve 42 changes between the temperature values 1600K and 3100K, ie an interval of 1500K.
  • the variation in curve 62 is smaller between two transition zones from one portion of the line to the next portion of the line.
  • the method of modulating the scanning speed of the laser beam makes it possible to drastically reduce the variations in the temperature of the powder at the center point of the laser spot compared to the situation in FIG. 4.
  • FIG. 7 schematically represents a scanning speed field of the laser beam sent to the powder, in the same mode of scanning the powder layer by a laser beam as that of FIG. 6.
  • the scanning speed of the laser beam passes through a plateau corresponding to a value close to 1 m / s during the first right portion located at the bottom of FIG. 7.
  • the scanning speed of the laser beam is maximum at the start of the scan, it drops, then increases again before decreasing as the scanning of the right portion progresses.
  • FIG. 8 schematically represents a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by the laser beam, in the same mode of scanning the powder layer by a laser beam as that of FIG. 6 .
  • the maximum temperature field in Figure 8 exhibits greater homogeneity than in Figure 3.
  • the maximum temperature is between 1800K and 2800K in Figure 8, while it is between 1800K and 3500K in Figure 3.
  • the temperature gradients in the case of figure 8 are lower than in the case of figure 3.
  • FIG. 9a schematically represents a detail of a path for scanning a layer of powder by a laser beam along a path of the zig-zag type as represented in FIG. 2 and as described above. .
  • the scanning speed of the laser beam is modulated during the scanning according to the proposed method in order to better control the temperature field.
  • the trajectory presents a discontinuity between the straight portion 48 and the next straight portion 49.
  • the laser scans the straight portion 48 and passes in particular through the points 48a, 48b, 48c, 48d and 48e.
  • the circle 51a corresponds to the laser spot which illuminates the powder layer at point 48a.
  • Surface 52a corresponds to the thermal effect of scanning the laser to point 48a.
  • the area 52a is all the more important as the temperature reached at point 48a is important.
  • the surface 52a depends on the one hand on the energy of the laser beam sent to the point 48a and on the other hand on the energy supplied by the laser to the powder layer upstream of the point 48a and which has diffused up to the point 48a.
  • the thermal effects of the laser scanning increase as the straight portion 48 is scanned.
  • the areas 52b, 52c, 52d and 52e are increasingly large.
  • the scanning speed of the laser beam decreases as the scanning of a straight line portion progresses, as mentioned in the description of FIG. 6.
  • the energy scattered in the powder layer in the scanning direction is increasingly more important as the sweep of the right portion 48.
  • the laser emission is interrupted. It is reactivated so that the laser beam is emitted towards point 49e.
  • the laser beam then scans the right portion 49 in the direction opposite to the right portion 48, from point 49e to point 49a.
  • the thermal effects of the laser scanning increase with the scanning of the right portion 49.
  • the surfaces 53e, 53d, 53c, 53b and 53a are, in this order, more and more important.
  • Area 53e corresponding to the thermal effect of scanning the laser to point 49e is significantly smaller than area 52e.
  • the discontinuity of the scanning that is to say the interruption of the emission of the laser between the points 48e and 49e, as well as the change in the direction of scanning between these points participate in reducing the energy diffused in the layer of powder between points 48th and 49th.
  • the temperature field reached by the powder at the center of the laser spot is not homogeneous on the path scanned in the case of FIG. 9a and of FIG. 6.
  • the temperature curve of the powder at the center point of the laser spot 62 exhibits a signal drop. Seamless sweep paths
  • a form of trajectory is proposed in order to limit the drop in temperature of the powder before consolidation and the drop in temperature of the powder at the center point of the laser spot at the very start of scanning of the right portion.
  • Figure 9b schematically shows a detail of a form of trajectory proposed for this purpose.
  • the speed of the laser beam is modulated during the scanning according to the proposed method in order to better control the temperature field.
  • the trajectory has continuity between the straight portion 48 and the next straight portion 49, with the addition of a straight portion 50 which joins the 48th end of the straight portion 48 and the 49th end of the portion. right 49th.
  • the right-hand portion 50 is scanned by the laser beam from point 48e to point 49e, passing in particular through point 50a with which the surface 54a is associated which characterizes the thermal effect of the laser scanning up to point 50a.
  • the path in Figure 9b is continuous and corresponds to smaller changes in scan direction.
  • FIG. 10 schematically represents a trajectory on the surface of a layer of powder scanned by a laser beam according to a proposed form of trajectory.
  • the trajectory is continuous and comprises a first group of portions of parallel lines which correspond to the portions of parallel lines of the trajectory shown in figure 2.
  • the trajectory of figure 10 comprises a second group of straight portions, each straight portion of the second group joining a first end of a first straight portion of the first group and a second end of a second right portion of the first group, the second right portion being close to the first right portion.
  • Each passage from a straight portion of the first group of straight portions to the next in this first group, for example the passage from the straight portion 100 to the straight portion 102 is made continuous by the addition of a portion right of the second group of straight portions, for example the right portion 104.
  • Figure 11 corresponds to the application of the proposed method in order to better control the temperature field when scanning a layer of powder by a laser beam along the path shown in Figure 10.
  • FIG. 11 diagrammatically represents the changes in different quantities as the scanning progresses, the different quantities being: a temperature objective to be reached at the center of the laser spot 110, a temperature of the powder at the center point of the laser spot 112 , and a scanning speed of the laser beam 114.
  • the curves 112 and 114 are obtained by numerical simulation.
  • the quantities represented in curves 112 and 114 are defined respectively in the same way as the quantities represented in curves 42 and 44, but in the case where the method is applied to better control the temperature field on the case of a trajectory keep on going.
  • the curve of the scanning speed of the laser beam 114 over time exhibits abrupt variations, the first of which occurs slightly after one millisecond. These zones of variation correspond to the transitions from one portion of the line to the next portion of the line.
  • This variation profile should be compared to that of the variations of curve 64 in FIG. 6.
  • the temperature curve of the powder at the center point of the laser spot 1 12 of FIG. 11 is almost identical with the objective temperature curve 110.
  • the target temperature of the powder at the center point of the laser spot is reached quickly after the start of the scanning of the first right portion by the laser beam.
  • Curve 112 has no peaks or troughs like curves 42 and 62.
  • the amplitude of the variations of curve 112 is significantly less than the amplitude of the variations of curve 62 or curve 42.
  • the proposed continuous trajectory makes it possible to drastically reduce the variations in the temperature of the powder at the center point of the laser spot compared to the situation in FIG. 6, and even more that of FIG. 4.
  • T rectories in the powder layer scanned by the laser with modulated scanning speed under limited maximum kinematic stress may have limitations in scan speeds related to process control and kinematic constraints of its components such as maximum speed, maximum acceleration, maximum jerk, or order processing time digital.
  • the iterative calculation of the scanning speeds V n leads to scanning speeds which can be greater than 2 meters per second - as in figure 1 1 -, whereas the additive manufacturing apparatus cannot achieve speeds sweep beyond this value.
  • the scanning speed at the n-th accessible point is equal to the ideal scanning speed Vj, n , and
  • the n-th accessible point of the powder layer is the n-th ideal point
  • the scanning speed at the nth accessible point is equal to the maximum speed achievable by the additive manufacturing device
  • the n-th accessible point is a point located on the trajectory downstream with respect to the (n-1) -th ideal point at a distance corresponding to the product of the scanning speed at the nth accessible point previously calculated and of the time step (t n - t ni ).
  • Figure 12 corresponds to the application of the proposed method taking into account the maximum speed achievable by the additive manufacturing device, on the same type of trajectory as that corresponding to Figure 11.
  • FIG. 12 diagrammatically represents the changes in different quantities as the scanning progresses, the different quantities being: a temperature objective to be reached at the center of the laser spot 130, a temperature of the powder at the center point of the laser spot 132 , and a scanning speed of the laser beam 134.
  • the curves 132 and 134 are obtained by numerical simulation.
  • the quantities represented in curves 132 and 134 are defined respectively in the same way as the quantities represented in curves 42 and 44, but in the case where the method is applied to better control the temperature field on the case of a trajectory discontinuous.
  • curve 130 of FIG. 12 is constant: the temperature of the layer to be reached without being exceeded at the center point of the laser spot is the same during the scanning of the laser and of the manufacturing process. This temperature can be called the threshold temperature Ts.
  • the curve of the scanning speed of the laser beam 134 over time exhibits areas of abrupt variations, the first of which begins shortly after one millisecond. These variation zones correspond to the transitions from one portion of the line to the next portion of the line.
  • Curve 134 shows a plateau corresponding to a value close to 1 m / s during the scanning of the first portion on the right, the plateau lying between the instants zero milliseconds and one millisecond.
  • Curve 134 then presents a pattern of variations that can be found for each portion of the line: the speed increases sharply, then it drops before increasing again and decreasing more slowly until the next portion of the line.
  • Curve 134 does not exceed the value of 2m / s, because the maximum sweep speed on velocity curve 134 is limited to 2m / s throughout the right portions of the discontinuous path.
  • the curve 132 presents a peak at each start of the scanning portion of a portion of straight line whereas curve 112 does not show any peak of this type.
  • the amplitude of the variations of the curve 132 is less than the amplitude of the variations of the curve 42: the curve 132 evolves between the temperature values 2300K and 2700K, i.e. an interval of 400K, while the curve 42 evolves between the values of temperatures 1600K and 3100K or an interval of 1500K. In addition, curve 132 presents for each straight portion a plateau 136, while curve 42 does not present this type of plateau.
  • FIG. 13 schematically represents a scanning speed field of the laser beam sent to the powder
  • FIG. 14 diagrammatically represents a maximum temperature field reached by the powder, when the powder layer is scanned by the laser beam .
  • the limitation of the speed influences the thermal distribution and causes an increase in temperature for the zones located on each right portion scanned by the laser spot and scanned shortly after the start of the scanning of the right portion.
  • the maximum temperature field in Figure 14 shows greater homogeneity than in Figure 3.
  • the maximum temperature is between 1800K and 3100K in Figure 14, while it is between 1800K and 3500K in Figure 3.
  • the temperature gradients in the case of figure 14 are lower than in the case of figure 3.
  • the temperature of the powder at the center point of the laser spot shown in curves 42 in FIG. 4, 62 in FIG. 6, 112 in FIG. 11, and 132 in FIG. 12 is estimated and depend in particular on the temperature of the powder before consolidation which is an estimate of the temperature Tp of the powder layer at a point in the powder layer just before the laser sweeps this point.
  • This estimate takes into account the diffusion at said point of the energy previously supplied by the laser to the powder layer.
  • a temperature variation of the powder layer at a second point distinct from the first point of the powder layer caused by the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer can be estimated according to the distance between the first point and the second point and a predetermined time interval.
  • this estimated temperature variation DT can be estimated beforehand, as a function of the distance ru between the first point and the second point and of the predetermined time interval (t2-ti), by calculating:
  • Qi being an energy received by the layer during the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer
  • e being a thermal effusivity of the powder layer
  • R being a ray of the laser beam
  • a being a thermal diffusivity of the powder layer and to is a predetermined instant.
  • Qi energy can be defined as the product of the power of the laser beam emitted at the first point and the emission time of the laser beam at this first point. If the laser beam is scanned along a trajectory, it is possible to define a time step At and to divide the trajectory into sections, each section being scanned by the laser beam for a duration equal to the time step At. these sections are sufficiently small, it is possible to consider that the energy sent to the section is sent to a single point of the section.
  • the laser spot has a circular shape defined by a ray R.
  • the formula used here comes from a model which applies to the diffusion of heat in solids, which model can also be applied to solid additive manufacturing powders including metallic ceramic powders.
  • the formula DT (G 2 ⁇ , t 2 -ti) can be interpreted as the variation at time t 2 of the temperature of the powder layer at the second point caused by the emission at time ti of the laser beam so as consolidate the first area of the powder layer.
  • This formula can be used to establish the temperature of the powder at the second point anytime after time ti.
  • this formula can be used to establish the temperature of the powder before consolidation Tp (t 2 ) at the second point, that is to say the temperature of the powder at the second point just before the laser illuminates this second point.
  • the emission of a laser beam at the first point of the additive manufacturing powder layer takes place at the instant ti.
  • This estimate makes it possible to implement a method of selective additive manufacturing of a three-dimensional object from a layer of powder, the method comprising the steps of: applying a layer of additive manufacturing powder to a support or to a previously consolidated layer,
  • the method further comprising
  • the estimated temperature variation being a function on the one hand of a predetermined time interval separating the emission on the first point and emission on the second point and on the other hand the distance between the first point and the second point which is equal to the product of the scanning speed adjusted by the predetermined time interval.
  • the threshold temperature is a temperature of the layer to be reached without being exceeded at the center point of the laser spot.
  • the adjusted sweep speed can be determined by:
  • the temperature before consolidation can be estimated in the situation of a path in the powder layer comprising several points illuminated by the laser.
  • the temperature of the powder before consolidation Tp (t n ) at an instant t n at an n-th point, n being an integer greater than or equal to two, can be estimated knowing the energy provided by the laser beam to the layer of powder before time t n .
  • the distance between the i-th point and the n-th point is denoted r composeri.
  • the supply of energy Qj to the powder layer produces an estimated temperature variation AT (r nj , t n -ti) at the instant t n at the n-th point of the layer. This variation is calculated as follows
  • the distance separating the (n-1) th point and the n-th point being equal to the product of the scanning speed adjusted by the time interval separating the transmission on the (n-1) th point and the transmission on the n-th point.
  • the adjusted sweep speed can be determined by:
  • a determination of a scanning speed adjusted as the ratio of the distance between the n-1 -th point of the powder layer and the n-th point previously determined and of the predetermined time step (t n - t ni ).
  • the scanning speed adjusted to one iteration must take into account the scanning speed in the previous iteration.
  • the calculation of the scanning speed of the laser beam with which each segment is scanned is performed in the order of the scanning of the different segments.
  • this calculation includes the following steps:
  • This ideal scanning speed is not necessarily achievable by the additive manufacturing device.
  • the following steps can be carried out: determination of an n-th accessible point and the scanning speed at the n-th accessible point, according to the following decision rule:
  • the scanning speed at the n-th accessible point is equal to the ideal scanning speed Vj, n , and
  • the n-th accessible point of the powder layer is the n-th ideal point
  • the scanning speed at the nth accessible point is equal to the maximum speed achievable by the additive manufacturing device
  • the n-th accessible point is a point located on the trajectory downstream with respect to the (n-1) -th ideal point at a distance corresponding to the product of the scanning speed at the n-th accessible point previously calculated and of the time step (t n - t n -i).
  • the path in the powder layer comprising several points illuminated by the laser, can be scanned at constant or variable laser beam power.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam according to the estimates of temperature variation can be well implemented using paths scanned by a laser beam of varying power.
  • the power can be modulated to improve the temperature uniformity.
  • the adjustment of the scanning speed of the laser beam according to the estimates of temperature variation can quite be implemented using a variable time step.
  • the time step At can be chosen to be variable during the trajectory.
  • the time step can be chosen smaller in the situations where the successive adjusted scanning speeds differ by a relatively large difference, and more important in the situations where the successive adjusted scanning speeds differ by a relatively small difference.
  • the trajectory can be virtually cut into segments Sn of identical or different length therefore corresponding to identical or different laser scanning times. Each segment Sn is scanned by the laser spatially from a first end corresponding to the n-th point and temporally from the instant t n .
  • the threshold temperature Ts can be chosen as a function of a desired powder temperature at a point where the center of the laser spot passes and when the laser passes.
  • the threshold temperature Ts can be chosen based on other criteria.
  • the temperature variation formulas as described above make it possible to determine the effect of one or more energy inputs to the powder layer at any point and at any time following said contributions.
  • the threshold temperature Ts can in particular be chosen as a function of temperature objectives from the following conditions:
  • the determination of the adjusted speeds requires the determination of the estimates of temperature variations of the powder layer at the various points included in the path.
  • the determination of the estimates of temperature variations can be carried out before the start of the process, or after the manufacturing process has started.
  • the speed at which the different points are processed by the simulator must be greater than or at least equal to the speed the laser beam illuminates or scans these same points.
  • Temporal neighborhood - spatial neighborhood The determination of the adjusted velocities takes more time than the estimation is precise, ie the number of points taken into account is large.
  • the temporal neighborhood Vt represents the duration of the thermal effects of the sweeping of a path segment. Beyond this period, the effect on the temperature of the powder of the energy diffused into the environment of the scanned segment and provided during its scanning can be considered negligible.
  • the spatial neighborhood VI represents the maximum distance of the thermal effects of the sweeping of a path segment. Beyond this distance, the effect on temperature of the powder of the energy diffused into the environment of the scanned segment and brought during its scanning can be considered as negligible.
  • the negligible character requires defining a threshold difference in temperature Ds.
  • the thermal effects of sweeping corresponding to temperature variations below this difference are considered negligible.
  • the temporal neighborhood Vt and the spatial neighborhood VI can be determined from the following method, illustrated in figure 15:
  • the parameters of the laser scanning process power of the laser beam and radius of the laser beam, scanning speed of the laser
  • the parameters of the material thermal conductivity, thermal capacity, density, melting temperature and initial temperature of the powder To
  • the simulator delivers an estimate of the temperature of the powder in a predefined spatial domain which includes the trajectory defined in the previous step.
  • the temperature estimate delivered by the simulator corresponds to the temperature of the powder at a predefined instant located temporally at the end of the scanning of the entire trajectory by the laser after a time of thermalization of the powder.
  • This estimate can be calculated from the elements that have already been defined previously such as the virtual division of the trajectory into segments and the sum of temperature variations at different points in the spatial domain due to the scanning of each segment by the laser.
  • a map of the temperatures of the powder is obtained in the predefined spatial domain at the predefined instant.
  • an isothermal curve corresponding to the sum To + Ds of the initial temperature of the powder To and of the threshold temperature difference Ds is determined within the temperature map obtained in the second step. This isothermal curve corresponds to an increase in temperature of the threshold temperature difference Ds.
  • the spatial neighborhood is determined as the maximum distance in the direction perpendicular to the line portion type trajectory between two points of the isothermal curve determined in the previous step.
  • the temporal neighborhood is determined as the ratio to the scanning speed of the laser of the maximum distance in the direction of the straight portion type trajectory between two points of the isothermal curve determined in the third step.
  • FIG. 16 represents the distances useful for determining the spatial neighborhood and the temporal neighborhood.
  • the X axis shown in Figure 16 represents the direction of the right portion of the path defined in the first step of the previous method.
  • the trajectory is swept in the direction of the increasing Xs.
  • the Y axis represents the direction perpendicular to the line portion type trajectory.
  • the closed curve 160 represents the isothermal curve defined during the third step of the preceding method.
  • the spatial neighborhood corresponds to the length of segment 161.
  • the maximum distance between two points of the isothermal curve determined in the third step in the direction of the straight portion type trajectory corresponds to the length of the segment 162.
  • the ratio of the length of segment 162 to the sweep rate allows the temporal neighborhood to be defined. Once the spatial neighborhood VI and the temporal neighborhood Vt have been determined, these data can be used to limit the calculation time to predetermine the temperature variations making it possible to calculate the speeds adjusted in the selective additive manufacturing process.
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 shown in Fig. 1 and as previously shown includes the control unit 129 which can be configured to control the laser-like source 1212 so that the source emits a laser beam onto it. a first point of the additive manufacturing powder layer, so as to consolidate a first zone of the powder layer comprising the first point.
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 may include a memory M for storing an estimated temperature variation of the powder layer at a second point of the powder layer caused by the emission of the laser beam so as to consolidate the first zone of the powder layer, the estimated temperature variation being a function of the distance between the first point and the second point and of a predetermined time interval,
  • Control unit 129 can be configured for:
  • the selective additive manufacturing apparatus 121 may also include a computer or simulator C shown in Figure 1 for determining estimates of temperature changes once the manufacturing process has started.
  • the computer or the simulator C is suitable for processing the various points of the trajectory sufficiently quickly, in particular the time during which the various points are processed by the computer or the simulator must be less than or at least equal to the time taken by the laser beam to illuminate or sweep these same points.
  • Such a calculator or simulator C can collaborate with the memory M so as to store the estimates of temperature variations once they have been produced.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication additive sélective d'un objet tridimensionnel à partir d'une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de: -application d'une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée, -émission d'un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point, le procédé comprenant en outre -un ajustement d'une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d'une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l'émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, -une émission d'un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d'un intervalle de temps prédéterminé séparant l'émission sur le premier point et l'émission sur le deuxième point et de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l'intervalle de temps prédéterminé.

Description

FABRICATION ADDITIVE PAR MODULATION DE VITESSE DE BALAYAGE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne le domaine général de la fabrication additive sélective. ETAT DE LA TECHNIQUE
La fabrication additive sélective consiste à réaliser des objets tridimensionnels par consolidation de zones sélectionnées sur des strates successives de matériau pulvérulent (poudre métallique, poudre de céramique, etc...). Les zones consolidées correspondent à des sections successives de l'objet tridimensionnel. La consolidation se fait par exemple couche par couche, par une fusion sélective totale ou partielle réalisée avec une source de puissance.
Classiquement, on utilise comme source pour réaliser la fusion des couches de poudre des sources laser de forte puissance ou des sources de faisceau d’électrons. Classiquement, au cours du procédé de fabrication d’un objet tridimensionnel utilisant une source laser de forte puissance, la température maximale atteinte par la poudre peut dépasser la température d’évaporation, et le champ de température au sein d’une couche de poudre présente d’importants gradients. La perte de matière par évaporation et les forts gradients provoquent des contraintes résiduelles qui ont un effet sur les caractéristiques mécaniques de l’objet, en particulier des déformations locales, des fissures de l’ordre du micromètre voire au-delà, entraînant des micro fissures et des dislocations de couches. I I y a donc un besoin de mieux contrôler le champ de température de la couche de poudre au cours du procédé de fabrication.
EXPOSE DE L'INVENTION Un but général de l’invention est de pallier les inconvénients des procédés de fabrication additive de l’art antérieur.
Notamment, un but de l’invention est de proposer une solution pour mieux contrôler le champ de température au cours du procédé.
Le but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de :
application d’une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée,
émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
le procédé comprenant en outre
un ajustement d’une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre,
une émission d’un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d’un intervalle de temps prédéterminé séparant l’émission sur le premier point et l’émission sur le deuxième point et de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps prédéterminé.
Un tel procédé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques ou étapes suivantes prises seules ou en combinaison :
La variation de température estimée DT est préalablement estimée, en fonction de la distance ru entre le premier point et le deuxième point et de l’intervalle de temps prédéterminé (t2-ti), en calculant :
Figure imgf000005_0001
Qi étant une énergie reçue par la couche au cours de l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, e étant une effusivité thermique de la couche de poudre, R étant un rayon du faisceau laser, a étant une diffusivité thermique de la couche de poudre et to est un instant prédéterminé.
Le procédé comprend en outre des étapes de :
- ajustement d’une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn prédéterminé en un n-ème point de la couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à consolider n-1 zones de la couche de poudre, le n-ème point étant situé à la distance rni d’un i-ème point de la couche de poudre, avec i=1 , 2, ...(n-1 ) chaque i-ème point étant situé au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée et étant éclairé par le faisceau laser à l’instant L prédéterminé, de la manière suivante :
Figure imgf000005_0002
dans laquelle To est la température initiale de la poudre,
- émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n-ème point de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point, la distance séparant le (n-1 ) ème point et le n-ème point étant égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps séparant l’émission sur le (n-1 ) ème point et l’émission sur le n- ème point. Chaque i-ème point des (n-1 ) premiers points de la couche est situé à une distance rni du n-ème point de la couche de poudre telle que rni <Vl du dans lequel VI est un voisinage spatial prédéterminé, et chaque i- ème point correspond à un instant t d’émission du faisceau laser vers le i-ème point tel que | tn-t | <Vt, dans lequel Vt est un voisinage temporel prédéterminé, avec i=1 , 2, ...(n-1 ), et n un nombre entier supérieur ou égal à deux.
L’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n-ème point de la couche dépend en outre d’une température seuil prédéterminée Ts.
L’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser dépend de la position d’un n-ème point idéal situé sur une trajectoire prédéterminée de sorte que la somme d’une estimation d’une température de préchauffage à l’instant tn au n-ème point idéal et d’une estimation d’une variation de température de la couche de poudre au n-ème point idéal due à l’émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n-ème point idéal de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point idéal, est égale à la température seuil prédéterminée Ts.
L’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser dépend d’une vitesse idéale Vj,n calculée comme le rapport de la distance entre le n- 1 -ème point de la couche de poudre et le n-ème point idéal sur l’intervalle de temps séparant l’émission sur le (n-1 ) ème point et l’émission sur le n-ème point.
L’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser prend en compte une contrainte cinématique maximale d’un appareil de fabrication additive. La contrainte cinématique maximale d’un appareil de fabrication additive est une vitesse maximale, une accélération maximale, un jerk maximal, ou un temps de traitement de commande numérique.
La température seuil Ts est prédéterminée en fonction d’au moins un objectif de température choisi parmi les conditions suivantes :
une température de la poudre à atteindre en un point où passe le centre du spot laser et au moment du passage du laser,
une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point où passe le centre du spot laser,
une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point de la couche de poudre,
une température supérieure à ne pas dépasser au cours du temps en tout point de la couche de poudre,
une température inférieure sous laquelle ne pas passer en tout point de la poudre, ou
une combinaison de ces conditions éventuellement variable au cours du procédé de fabrication.
Le laser balaye une trajectoire discontinue comprenant un premier groupe de portions de droites parallèles entre elles.
Le laser balaye une trajectoire continue comprenant le premier groupe de portions de droites parallèles entre elles et un deuxième groupe de portions de droites, chaque portion de droite du deuxième groupe joignant une première extrémité d’une première portion de droite du premier groupe et une deuxième extrémité d’une deuxième portion de droite du premier groupe, la deuxième portion de droite étant voisine de la première portion de droite.
L’estimation de la variation de température de la couche de poudre au n- ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre est réalisée une fois que le procédé de fabrication a commencé. L’invention porte également sur un appareil de fabrication additive sélective adapté pour mettre en oeuvre les procédés tels qu’on les a décrits dans cette section.
En particulier, l’invention porte sur un appareil de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, l’appareil comprenant :
une source de type laser,
une unité de contrôle configurée pour commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
l’appareil comprenant en outre :
une mémoire pour mémoriser une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre,
et dans lequel l’unité de contrôle est configurée pour :
ajuster une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction de la variation de température estimée mémorisée dans la mémoire, commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d’une part d’un intervalle de temps prédéterminé séparant l’émission sur le premier point et l’émission sur le deuxième point et d’autre part de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps prédéterminé.
Avantageusement, mais facultativement, l’appareil peut être complété par un calculateur ou un simulateur adapté pour déterminer des estimations de variations de température de la couche de poudre en un n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre une fois que le procédé de fabrication a débuté.
DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une représentation schématique d’un appareil de fabrication additive conforme à un mode de réalisation possible de l’invention.
La figure 2 représente de manière schématique une trajectoire située à la surface d’une couche de poudre et balayée par un faisceau laser ;
La figure 3 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon une technique connue de l’art antérieur ;
La figure 4 représente de manière schématique des évolutions au cours d’un balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser, selon une technique connue de l’art antérieur, d’un objectif de température, d’une température de la poudre au point centre du spot laser et d’une vitesse de balayage du faisceau laser ;
La figure 5 représente de manière schématique une cartographie de température atteinte par la poudre au point centre du spot laser, selon une technique connue de l’art antérieur ;
La figure 6 représente de manière schématique des évolutions au cours d’un balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention d’un objectif de température, d’une température de la poudre au point centre du spot laser et d’une vitesse de balayage du faisceau laser ;
La figure 7 représente de manière schématique une cartographie de la vitesse de balayage du faisceau laser atteinte, selon un mode de réalisation possible de l’invention ; La figure 8 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention ; Les figures 9a et 9b représentent de manière schématique un détail d’une trajectoire à la surface d’une couche de poudre balayée par un faisceau laser selon deux techniques connues de l’art antérieur ;
La figure 10 représente de manière schématique une trajectoire à la surface d’une couche de poudre balayée par un faisceau laser ;
Les figures 11 et 12 représentent de manière schématique des évolutions au cours d’un balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon des modes de réalisations possible de l’invention d’un objectif de température, d’une température de la poudre au point centre du spot laser et d’une vitesse de balayage du faisceau laser ;
La figure 13 représente de manière schématique une cartographie de la vitesse de balayage du faisceau laser, selon un mode de réalisation possible de l’invention ;
La figure 14 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon un mode de réalisation possible de l’invention ; La figure 15 représente de manière schématique un procédé pour déterminer un voisinage spatial et un voisinage temporel d’un point de la couche de poudre ;
La figure 16 représente de manière schématique un voisinage spatial et un voisinage temporel d’un point de la couche de poudre ;
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Appareil de fabrication additive sélective
L'appareil 121 de fabrication additive sélective de la figure 1 comprend : - un support tel qu’un plateau horizontal 123 sur lequel sont déposées successivement les différentes couches de poudre de fabrication additive (poudre métallique, poudre de céramique, etc.) permettant de fabriquer un objet tridimensionnel (objet 122 en forme de sapin sur la figure 1 ),
- un réservoir de poudre 127 situé au-dessus du plateau 123,
- un arrangement 124 pour la distribution de ladite poudre métallique sur le plateau, cet arrangement 124 comportant par exemple une raclette 125 et/ou un rouleau de mise en couche pour étaler les différentes couches successives de poudre (déplacement selon la double flèche A),
- un ensemble 128 comportant au moins une source 1212 de type laser pour la fusion (totale ou partielle) des couches fines étalées, le faisceau laser généré par la source 1212 rentre en contact avec les couches fines étalées dans le plan de poudres, c’est-à-dire dans le plan où la couche de poudre a été étalée par la raclette 125.
- une unité de contrôle 129 qui assure le pilotage des différents composants de l’appareil 121 en fonction d’informations pré-mémorisées (mémoire M),
- un mécanisme 1210 pour permettre de descendre le support du plateau 123 au fur et à mesure du dépôt des couches (déplacement selon la double flèche B).
Dans l’exemple décrit en référence à la figure 1 , au moins un miroir galvanométrique 1214 permet d'orienter et de déplacer le faisceau laser issu de la source 1212 par rapport à l'objet 122 en fonction des informations envoyées par l'unité de contrôle 129. Tout autre système de déviation peut bien entendu être envisagé.
Les composants de l'appareil 121 sont agencés à l'intérieur d'une enceinte étanche 1217 qui peut être reliée à un circuit de traitement d’air ou de gaz inerte. Le circuit de traitement d’air ou de gaz inerte peut être en outre adapté pour régler la pression au sein de l’enceinte étanche 1217 en dessous ou au- dessus de la pression atmosphérique.
Trajectoires dans la couche de poudre balayées par le laser à vitesse constante La figure 2 représente de manière schématique une trajectoire située à la surface d’une couche de poudre et balayée par un faisceau laser.
Selon une technique connue de l’art antérieur la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon des zig zags ou des aller-retours de façon à consolider progressivement la couche de poudre.
Le laser est émis vers un premier point
Figure imgf000012_0001
de la couche de poudre et balaye à puissance constante et vitesse constante la couche de poudre selon une première portion de droite orientée dans la direction d’un axe X jusqu’à un point Bi. La première portion de droite correspond à une valeur de la coordonnée Y proche de 0 et est balayé dans le sens positif de l’axe X.
La longueur de la portion de droite
Figure imgf000012_0002
Bi est dans cet exemple égale à un millimètre.
Le balayage par un faisceau laser de la première portion de droite permet d’apporter localement à la couche de poudre suffisamment d’énergie pour fondre la poudre et consolider une zone de la couche qui comprend la première portion de droite.
L’émission du laser vers la couche de poudre est ensuite interrompue.
L’émission du laser est réactivée de sorte que le laser balaye à puissance constante et vitesse constante une seconde portion de droite depuis un point B2 vers un point A2. Cette portion de droite est parallèle à la première portion de droite. La seconde portion de droite correspond à une valeur de la coordonnée Y supérieure à celle de la portion de droite précédente, et est balayée dans le sens négatif de l’axe X.
La longueur de la seconde portion de droite est la même que celle de la première portion.
A nouveau, l’émission du laser est interrompue, puis réactivée pour balayer à puissance constante et vitesse constante dans le sens positif de l’axe X une troisième portion de droite depuis un point A3 vers un point B3. Cette portion de droite est parallèle aux deux portions de droite précédentes, correspondant à une valeur de la coordonnée Y supérieure à celle des deux portions de droite précédentes.
Ainsi de suite, il est possible de balayer une neuvième portion de droite définie par des points Ag et Bg sur la figure 2, à vitesse et puissance constantes dans le sens positif de l’axe X.
La longueur de toutes les portions de droite vaut un millimètre.
Effets thermiques du balayage laser à vitesse constante
La figure 3 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, au fur et à mesure de son balayage par un faisceau laser selon la trajectoire décrite dans la figure 2.
La température au cours du procédé de fabrication peut être déterminée par simulation numérique en tout point de la couche de poudre.
Pour chaque point étudié, il est possible de générer une suite temporelle des températures prises par la poudre en ce point au cours du procédé.
Il est possible d’extraire de cette suite temporelle le maximum de ses valeurs, maximum qui correspond à la température maximale atteinte par la poudre au point étudié au cours du procédé.
Les températures maximales les plus importantes sont atteintes en des points de la couche de poudre qui se situent vers une des extrémités des portions de droite telles qu’on les a définies plus haut en rapport avec la figure 2.
Plus précisément, parmi les deux extrémités de la portion de droite, il s’agit de l’extrémité qui est balayée en premier par le laser.
La zone Zi représentée sur les figures 2 et 3 correspond à de tels points de la couche de poudre. Ils sont situés vers l’extrémité de la troisième portion de droite qui est balayée en premier par le laser.
Les températures maximales les plus importantes correspondent environ à une température de 3500 Kelvins. Cette température peut dépasser la température de vaporisation de la poudre de fabrication additive. C’est le cas notamment lorsque la poudre de fabrication additive est composée de TÎ6A14V dont la température de vaporisation est de 3 473K.
La vaporisation de la poudre peut produire des lacunes dans l’objet fabriqué et des projections sur des zones déjà solidifiées, ce qui peut détériorer la qualité, l’état de surface et les caractéristiques mécaniques de l’objet fabriqué.
Par ailleurs, les températures maximales les plus importantes sont atteintes en des points de la couche de poudre qui sont situés relativement près des points où les températures maximales sont les moins importantes, environ 1800K. La zone Z représentée sur les figures 2 et 3 correspond à des points de la couche de poudre où les températures maximales sont les moins importantes. La zone Z est située à proximité de la zone Z .
De relativement forts gradients de température se situent entre la zone Z et la zone Z de la couche de poudre. Plus généralement le début du balayage d’une nouvelle portion de droite est associé à de relativement forts gradients de température.
Ces gradients conduisent ultérieurement à l’apparition de contraintes résiduelles qui ont un effet sur les caractéristiques mécaniques de la pièce et provoquent des déformations, ainsi que des fissures de l’ordre du micromètre voire au-delà. La figure 4 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon la trajectoire représentée sur la figure 2 et telle qu’on l’a décrite plus haut, les différentes grandeurs étant :
un objectif de température à atteindre au centre du spot laser 40, une température de la poudre au point centre du spot laser 42, et une vitesse de balayage du faisceau laser 44.
La vitesse de balayage du faisceau laser 44 représentée en fonction du temps fait apparaître les durées de balayage de chaque portion de droite évoquée plus haut dans la description de la figure 2.
La vitesse de balayage de la couche de poudre par le faisceau laser vaut dans cette situation 1 mètre par seconde. La vitesse de balayage lors de la discontinuité depuis une portion de droite vers la portion de droite suivante sur la courbe 44 est programmée à 6m/s.
La longueur de chaque portion de droite valant un millimètre, le faisceau laser balaye chaque portion de droite en une milliseconde.
La courbe de vitesse 44 du faisceau laser au cours du temps correspond à une suite de plateaux séparés par des pics.
Le balayage de chaque portion de droite est effectué à vitesse constante, ce qui correspond aux plateaux de la courbe 44. Entre deux portions de droite, le faisceau laser est éteint. Les moyens de déplacer le faisceau laser sont actionnés pour que l’émission du faisceau laser reprenne rapidement au début de la portion de droite suivante. Cela correspond aux pics de la courbe 44.
Chaque instant u repéré sur l’axe horizontal du Temps correspond à un point M de la couche de poudre situé sur la trajectoire vers lequel le laser est émis à l’instant u. Le centre du spot laser balaye le point M à l’instant u.
On entend par spot laser, la tache laser correspondant à une section transverse du faisceau laser située à l’intersection entre le faisceau laser et la couche de poudre. Le spot laser peut avoir une forme circulaire.
La courbe 40 représente un objectif de température de la poudre au point centre du spot laser. Plus précisément il s’agit d’une température de la poudre à atteindre sans être dépassée en un point de la couche de poudre balayé par le centre du spot laser à l’instant du passage du laser.
La courbe 42 représente la température de la poudre au point centre du spot laser. Elle correspond à l’estimation de la température de la poudre au point M juste après l’instant u.
La courbe 42 est obtenue par simulation numérique. On appelle température de la poudre avant consolidation une estimation de la température Tp de la couche de poudre au point M, juste avant l’instant u. Cette estimation caractérise la diffusion au point M de l’énergie apportée avant l’instant u par le faisceau laser à la couche de poudre. La température de la poudre au point centre du spot laser dépend de la température de la poudre avant consolidation.
Cette estimation prend en compte l’énergie apportée par le laser vers le point M à l’instant u ainsi que la diffusion au point M de l’énergie apportée avant l’instant u par le laser à la couche de poudre.
La courbe 42 présente une brusque chute de signal autour de chaque transition d’une portion de droite à la portion de droite suivante. Cette chute de signal est suivie d’une augmentation brusque puis d’une diminution plus lente au cours du plateau suivant de la courbe 44 avant de présenter une nouvelle chute brusque de signal autour de la fin de ce plateau suivant.
A partir de la deuxième portion de droite balayée, le balayage d’une portion de droite de la couche de poudre correspond à une température de la poudre au point centre du spot laser faible en début de balayage, puis brusquement beaucoup plus importante avant de diminuer de plus en plus jusqu’à la fin du balayage de la portion de droite.
La figure 5 représente de manière schématique une cartographie de température atteinte par la poudre au point centre du spot laser, lorsque la couche de poudre est balayée par un faisceau laser selon la trajectoire de la figure 2 et telle qu’on l’a décrite plus haut.
La figure 5 et la courbe 42 de la figure 4 proposent deux représentations de la même grandeur température atteinte par la poudre au point centre du spot laser . Pour la figure 5 cette représentation est spatiale, alors que pour la courbe 42 de la figure 4 cette représentation est temporelle.
La température au point centre du spot laser est faible en début de balayage d’une portion de droite, puis brusquement beaucoup plus importante. Les zones Z3a, å3b et Z3c identifiées sur la figure 5 correspondent à cette variation. Une fois cette brusque augmentation passée, la température au point centre du spot laser diminue plus doucement jusqu’à la fin du balayage de la portion de droite.
Ces variations de température au point centre du spot laser proviennent de différents effets.
D’une part lorsque le laser balaye une portion de droite, une partie de l’énergie apportée par le laser diffuse vers la portion de droite suivante dans l’ordre de balayage du laser.
La portion de droite suivante est chauffée, et en particulier dans la zone en regard des points qui viennent d’être balayés par le laser. Au cours du temps, l’énergie se diffuse davantage dans la poudre, de sorte que l’énergie provenant de la portion de droite balayée qui a diffusé aux points dans la zone en regard de la portion de droite suivante passe par un maximum avant de diminuer. D’autre part, l’émission du faisceau laser vers la couche de poudre est interrompue en fin de balayage de la portion de droite, puis réactivée en début de portion de droite suivante. Cette discontinuité provoque une diminution dans l’apport d’énergie depuis une portion de droite vers la portion de droite suivante. Pour ces raisons, la température de la poudre avant consolidation est inférieure en tout début de portion de droite par rapport au reste de la portion de droite. La température au point centre du spot laser dépend notamment de la température avant consolidation au point balayé, c’est-à-dire de l’énergie provenant de la portion de droite précédente qui est présente en ce point au moment de son balayage par le laser.
Les sixième et septième portions P6 et P7 sont indiquées sur la figure 5. Elles sont balayées dans le sens des flèches F6 et F7. Différentes zones ont été identifiées dans ces portions, elles sont balayées par le laser dans l’ordre suivant : Z a, Zôa, Zsa, Z4a, Z4t>, Zsb, Zôb et Zzb.
Il y a relativement moins d’énergie diffusée depuis les zones précédemment balayées en tout début de portion de droite, par exemple dans la zone Z4b à cause de l’interruption de l’émission laser entre les zones Z4a et Z4b.
Il y a relativement plus d’énergie diffusée depuis les zones précédemment balayées dans la suite immédiate du tout début de portion de droite, par exemple dans la zone Zsb, car la partie de la portion de droite précédente située en regard, la zone Zsa, a été récemment balayée par le laser.
Il y a relativement de moins en moins d’énergie diffusée depuis les zones précédemment balayées dans le reste de la portion de droite, car la partie de la portion de droite précédente située en regard a été balayée par le laser il y a de plus en plus longtemps.
L’énergie reçue dans la zone Zôa qui a diffusé dans la zone Zôb au moment du balayage de la zone Zôb, est :
plus faible que l’énergie reçue dans la zone Zsa qui a diffusé dans la zone Zsb au moment du balayage de la zone Zsb, et
plus importante que l’énergie reçue dans la zone
Figure imgf000018_0001
qui a diffusé dans la zone Z7b au moment du balayage de la zone h .
Le champ de température illustrée sur la figure 5 correspond au champ de température au point centre du spot laser. Ce champ est inhomogène avec de forts gradients de température, notamment dans les extrémités des portions de droite qui sont balayées en premier.
Trajectoires dans la couche de poudre balayées par le laser à vitesse de balayage modulée
Une méthode est proposée afin de mieux contrôler le champ de température atteinte par la poudre au centre du spot laser et en conséquence le champ de température maximale atteinte, en modulant la vitesse de balayage du laser au cours du balayage de la poudre.
Une trajectoire dans la couche de poudre à balayer par le laser est choisie. Cette trajectoire peut être virtuellement découpée en segments Sn. Chaque segment Sn peut être caractérisé notamment par un n-ème « point accessible » de la couche de poudre compris dans le segment Sn et un instant tn à partir duquel le segment est balayé par le laser.
Un calcul de la vitesse de balayage du faisceau laser avec laquelle chaque segment est balayé est réalisé dans l’ordre de balayage des différents segments. Pour le n-ème segment Sn, ce calcul comprend les étapes suivantes : calcul d’une estimation de la température de la poudre avant consolidation en différents points d’étude de la couche de poudre situés sur la trajectoire en aval du (n-1 )-ème point accessible de la couche de poudre, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues, au point d’étude de la couche de poudre et à l’instant tn, à l’émission d’un faisceau laser de sorte à balayer les n-1 segments situés en amont dans la trajectoire, chacun des n-1 segments étant balayé avec une vitesse de balayage du faisceau laser précédemment calculée,
calcul d’une estimation d’une température d’étude de la poudre au point centre du spot laser pour chacun des différents points d’étude de la couche de poudre, l’estimation dépendant de la température de la poudre avant consolidation précédemment estimée pour le point d’étude et d’une variation en température de la poudre due, au point d’étude de la couche de poudre, à l’émission d’un faisceau laser vers ledit point d’étude à l’instant tn,
détermination d’un n-ème point idéal comme le point d’étude pour lequel l’estimation de la température d’étude de la poudre au point centre du spot laser est égale à une température seuil Ts qui est une température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser, détermination d’un vitesse idéale de balayage Vj,n calculée comme le rapport de la distance entre le (n-1 )-ème point accessible de la couche de poudre et le n-ème point idéal au pas temporel (tn - tn-i) prédéterminé.
La modulation de la vitesse de balayage du faisceau laser est calculée pour l’ensemble des segments dans leur ordre de balayage.
Les segments peuvent être balayés à puissance constante ou variable du faisceau laser.
Les instants tn sont prédéterminés peuvent être reliés entre eux par la relation suivante : tn = tn-i + Dΐ où At est un pas temporel qui peut être constant pour l’ensemble de la trajectoire. Un pas temporel variable peut également être utilisé. Effets thermiques du balayage laser à vitesse de balayage du faisceau laser modulée
La figure 6 correspond à l’application d’une telle méthode dans le cas du balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon une trajectoire de type zig-zag, comme dans le cas de la figure 2.
La figure 6 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage, les différentes grandeurs étant : un objectif de température à atteindre au centre du spot laser 60, une température de la poudre au point centre du spot laser 62, et une vitesse de balayage du faisceau laser 64.
Les courbes 62 et 64 sont obtenues par simulation numérique.
Les grandeurs représentées dans les courbes 62 et 64 sont définies respectivement de la même manière que les grandeurs représentées dans les courbes 42 et 44 mais dans le cas où on applique la méthode pour mieux contrôler le champ de température.
Dans cette situation, la puissance du faisceau laser est maintenue constante et les instants tn sont reliés entre eux par la relation suivante : tn=tn-i+At où At est un pas temporel pour l’ensemble de la trajectoire.
La courbe de l’objectif de température à atteindre au centre du spot laser 60 est constante au cours du temps. Cela signifie que la température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser est la même au cours du balayage du laser et du procédé de fabrication. Cette température peut être nommée température seuil Ts.
La courbe de la vitesse de balayage du faisceau laser 64 au cours du temps présente des zones de variations brusques dont la première se produit un peu après une milliseconde. Ces zones de variation correspondent aux transitions d’une portion de droite à la portion de droite suivante pour lesquelles la vitesse de balayage est programmée à 6m/s. Ces zones de variation présentent notamment une augmentation brutale de la vitesse de balayage suivie d’une diminution plus lente.
Ce profil de variation est à rapprocher de celui des variations de la courbe 42 de la figure 4.
Dans la courbe 64, la vitesse de balayage augmente fortement en début de balayage d’une portion de droite, et plus précisément pour les zones telles qu’on les a décrites en rapport avec la figure 5 où la température de la poudre au point centre du spot laser passe par un pic en l’absence de modulation de la vitesse de balayage du faisceau laser.
Cela permet de diminuer l’apport d’énergie du laser à la couche de poudre aux endroits où, sans modulation de la vitesse de balayage, la température de la poudre au point centre du spot laser est trop importante.
La courbe de la température de la poudre au point centre du spot laser 62 de la figure 6 ne présente pas de valeurs qui se situent au-dessus de la courbe 40 d’objectif de température. En particulier, la courbe 62 ne présente pas de pics comme sur la courbe 42 au début du balayage de chaque portion de droite. La courbe 62 présente des creux et l’amplitude des variations de la courbe 62 est inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 42 : la courbe 62 évolue entre les valeurs de températures 1500K et 2300K soit un intervalle de 800K, alors que la courbe 42 évolue entre les valeurs de températures 1600K et 3100K soit un intervalle de 1500K. De plus, la variation de la courbe 62 est plus faible entre deux zones de transition d’une portion de droite à la portion de droite suivante.
La méthode de modulation de la vitesse de balayage du faisceau laser permet de réduire drastiquement les variations la température de la poudre au point centre du spot laser par rapport à la situation de la figure 4.
La figure 7 représente de manière schématique un champ de vitesse de balayage du faisceau laser envoyé vers la poudre, dans le même mode de balayage de la couche de poudre par un faisceau laser que celui de la figure 6. Comme déjà représenté sur la courbe 64 de la figure 6, la vitesse de balayage du faisceau laser passe par un plateau correspondant à une valeur proche de 1 m/s au cours de la première portion de droite située au bas de la figure 7.
Pour chaque portion de droite suivante, la vitesse de balayage du faisceau laser est maximale en début de balayage, elle chute, puis augmente à nouveau avant de diminuer au fur et à mesure du balayage de la portion de droite.
La figure 8 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par le faisceau laser, dans le même mode de balayage de la couche de poudre par un faisceau laser que celui de la figure 6.
Le champ de température maximale présente dans la figure 8 une plus grande homogénéité que dans la figure 3. La température maximale est comprise entre 1800K et 2800K dans la figure 8, alors qu’elle est comprise entre 1800K et 3500K dans la figure 3.
Les températures maximales atteintes en rapport avec la figure 8 ne dépassent pas 2800K et se situent nettement en dessous de la température de vaporisation du matériau TÎ6A14V.
Les gradients de température dans le cas de la figure 8 sont plus faibles que dans le cas de la figure 3.
Trajectoires de balayage avec discontinuités
La figure 9a représente de manière schématique un détail d’une trajectoire de balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon une trajectoire de type zig-zag comme représentée sur la figure 2 et telle qu’on l’a décrite plus haut.
La vitesse de balayage du faisceau laser est modulée au cours du balayage selon la méthode proposée afin de mieux contrôler le champ de température.
La trajectoire présente une discontinuité entre la portion de droite 48 et la portion de droite suivante 49. Le laser balaye la portion de droite 48 et passe notamment par les points 48a, 48b, 48c, 48d et 48e.
Le cercle 51 a correspond au spot laser qui éclaire la couche de poudre au point 48a. La surface 52a correspond à l’effet thermique du balayage du laser jusqu’au point 48a. La surface 52a est d’autant plus importante que la température atteinte au point 48a est importante. La surface 52a dépend d’une part de l’énergie du faisceau laser envoyée au point 48a et d’autre part de l’énergie apportée par le laser à la couche de poudre en amont du point 48a et qui a diffusé jusqu’au point 48a.
Les effets thermiques du balayage du laser augmentent au fur et à mesure du balayage de la portion de droite 48. Les surfaces 52b, 52c, 52d et 52e sont de plus en plus importantes.
La vitesse de balayage du faisceau laser diminue au fur et à mesure du balayage d’une portion de droite, comme mentionné dans la description de la figure 6. L’énergie diffusée dans la couche de poudre dans la direction de balayage est de plus en plus importante au fur et à mesure du balayage de la portion de droite 48.
Au point 48e, l’émission du laser est interrompue. Elle est réactivée de sorte que le faisceau laser est émis vers le point 49e. Le faisceau laser balaye ensuite la portion de droite 49 dans la direction opposée à la portion de droite 48, du point 49e au point 49a. Les effets thermiques du balayage du laser augmentent au fur et à mesure du balayage de la portion de droite 49. Les surfaces 53e, 53d, 53c, 53b et 53a sont, dans cet ordre, de plus en plus importantes.
La surface 53e correspondant à l’effet thermique du balayage du laser jusqu’au point 49e est sensiblement plus faible que la surface 52e. La discontinuité du balayage c’est-à-dire l’interruption de l’émission du laser entre les points 48e et 49e, ainsi que le changement de la direction de balayage entre ces points participent à diminuer l’énergie diffusée dans la couche de poudre entre les points 48e et 49e.
Même avec une vitesse de balayage du faisceau laser autour du point 49e bien plus faible qu’autour du point 48e, comme mentionné dans la description de la figure 7, l’effet thermique du balayage du laser est plus important au point 48e qu’au point 49e.
Le champ de température atteinte par la poudre au centre du spot laser n’est pas homogène sur la trajectoire balayée dans le cas de la figure 9a et de la figure 6. En particulier, en tout début de balayage de portion de droite par le faisceau laser, la courbe de température de la poudre au point centre du spot laser 62 présentent une chute de signal. Trajectoires de balayage sans discontinuités
Une forme de trajectoire est proposée afin de limiter la chute de température de la poudre avant consolidation et la chute de température de la poudre au point centre du spot laser en tout début de balayage de portion de droite. La figure 9b représente de manière schématique un détail d’une forme de trajectoire proposée à cette fin.
La vitesse du faisceau laser est modulée au cours du balayage selon la méthode proposée afin de mieux contrôler le champ de température.
La trajectoire présente une continuité entre la portion de droite 48 et la portion de droite suivante 49, avec l’ajout d’une portion de droite 50 qui joint l’extrémité 48e de la portion de droite 48 et l’extrémité 49e de la portion de droite 49e. La portion de droite 50 est balayée par le faisceau laser du point 48e au point 49e en passant notamment par le point 50a auquel est associé la surface 54a qui caractérise l’effet thermique du balayage du laser jusqu’au point 50a. Par rapport à la trajectoire illustrée dans la figure 9a, la trajectoire de la figure 9b est continue et correspond à des changements moins importants de direction de balayage.
La figure 10 représente de manière schématique une trajectoire à la surface d’une couche de poudre balayée par un faisceau laser selon une forme de trajectoire proposée.
La trajectoire est continue et comprend un premier groupe de portions de droites parallèles qui correspond aux portions de droites parallèles de la trajectoire représentée sur la figure 2. La trajectoire de la figure 10 comprend un deuxième groupe de portions de droites, chaque portion de droite du deuxième groupe joignant une première extrémité d’une première portion de droite du premier groupe et une deuxième extrémité d’une deuxième portion de droite du premier groupe, la deuxième portion de droite étant voisine de la première portion de droite.
Chaque passage d’une portion de droite du premier groupe de portions de droites à la suivante dans ce premier groupe, par exemple le passage de la portion de droite 100 à la portion de droite 102 est rendu continu par l’ajout d’une portion de droite du deuxième groupe de portions de droites, par exemple la portion de droite 104.
Effets thermiques du balayage laser à vitesse modulée dans le cas des trajectoires de balayage sans discontinuités
La figure 11 correspond à l’application de la méthode proposée afin de mieux contrôler le champ de température au balayage d’une couche de poudre par un faisceau laser selon la trajectoire illustrée à la figure 10.
La figure 11 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage, les différentes grandeurs étant : un objectif de température à atteindre au centre du spot laser 110, une température de la poudre au point centre du spot laser 112, et une vitesse de balayage du faisceau laser 114.
Les courbes 112 et 114 sont obtenues par simulation numérique.
Les grandeurs représentées dans les courbes 112 et 114 sont définies respectivement de la même manière que les grandeurs représentées dans les courbes 42 et 44, mais dans le cas où on applique la méthode pour mieux contrôler le champ de température sur le cas d’une trajectoire continue.
Dans cette situation, la puissance du faisceau laser est maintenue constante et les instants tn sont reliés entre eux par la relation suivante : tn=tn-i +At où At est un pas temporel pour l’ensemble de la trajectoire. Comme la courbe 60 de la figure 6, la courbe 110 de la figure 11 est constante : la température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser est la même au cours du balayage du laser et du procédé de fabrication. Cette température peut être nommée température seuil Ts.
La courbe de la vitesse de balayage du faisceau laser 114 au cours du temps présente des variations brusques dont la première se produit un peu plus après une milliseconde. Ces zones de variation correspondent aux transitions d’une portion de droite à la portion de droite suivante.
Ces zones de variation présentent notamment une augmentation brutale de la vitesse de balayage suivie d’une diminution plus lente.
Ce profil de variation est à rapprocher de celui des variations de la courbe 64 de la figure 6.
La courbe de la température de la poudre au point centre du spot laser 1 12 de la figure 11 est quasiment confondue avec la courbe 110 d’objectif de température. L’objectif de température de la poudre au point centre du spot laser est atteint rapidement après le début du balayage de la première portion de droite par le faisceau laser.
La courbe 112 ne présente aucun pic ni aucun creux comme les courbes 42 et 62. L’amplitude des variations de la courbe 112 est nettement inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 62 ou de la courbe 42.
La trajectoire continue proposée permet de réduire drastiquement les variations la température de la poudre au point centre du spot laser par rapport à la situation de la figure 6, et plus encore celle de la figure 4. T raiectoires dans la couche de poudre balayées par le laser à vitesse de balayage modulée dans le cas d’une contrainte cinématique maximale limitée L’appareil de fabrication additive peut présenter des limitations dans les vitesses de balayage liées à la maîtrise du procédé et aux contraintes cinématiques de ses composants telles qu’une vitesse maximale, une accélération maximale, un jerk maximal, ou un temps de traitement de commande numérique. On parle de contrainte cinématique maximale limitée.
Par exemple, le calcul itératif des vitesses de balayage Vn conduit à des vitesses de balayage qui peuvent être supérieures à 2 mètres par seconde -comme dans la figure 1 1 -, alors que l’appareil de fabrication additive ne peut pas réaliser des vitesses de balayage au-delà de cette valeur.
Il devient alors nécessaire de modifier le calcul itératif des vitesses de balayage du faisceau laser, tel qu’il a été présenté plus haut, pour prendre en compte une vitesse maximal réalisable par l’appareil de fabrication additive.
En particulier une fois que la détermination d’un n-ème point idéal et de la vitesse idéale de balayage Vj,n effectuées, les étapes suivantes peuvent être réalisées :
détermination d’un n-ème point accessible et de la vitesse de balayage au n-ème point accessible, selon la règle de décision suivante :
si la valeur de la vitesse idéale au n-ème point idéal est inférieure ou égale à la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, alors
la vitesse de balayage au n-ème point accessible est égale à la vitesse idéale de balayage Vj,n, et
le n-ème point accessible de la couche de poudre est le n-ème point idéal,
si la valeur de la vitesse au n-ème point idéal est supérieure à la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, alors
la vitesse de balayage au n-ème point accessible est égale à la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, et
le n-ème point accessible est un point situé sur la trajectoire en aval par rapport au (n-1 )-ème point idéal à une distance correspondant au produit de la vitesse de balayage au n-ème point accessible précédemment calculée et du pas temporel (tn - tn-i).
Effets thermiques du balayage laser à vitesse de balayage modulée dans le cas d’une vitesse maximale limitée
La figure 12 correspond à l’application de la méthode proposée prenant en compte la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, sur le même type de trajectoire que celui correspondant à la figure 11.
La figure 12 représente de manière schématique les évolutions de différentes grandeurs au fur et à mesure du balayage, les différentes grandeurs étant : un objectif de température à atteindre au centre du spot laser 130, une température de la poudre au point centre du spot laser 132, et une vitesse de balayage du faisceau laser 134.
Les courbes 132 et 134 sont obtenues par simulation numérique.
Les grandeurs représentées dans les courbes 132 et 134 sont définies respectivement de la même manière que les grandeurs représentées dans les courbes 42 et 44, mais dans le cas où on applique la méthode pour mieux contrôler le champ de température sur le cas d’une trajectoire discontinue.
Dans cette situation, la puissance du faisceau laser est maintenue constante et les instants tn sont reliés entre eux par la relation suivante : tn=tn-i +At où At est un pas temporel pour l’ensemble de la trajectoire.
Comme la courbe 60 de la figure 6, la courbe 130 de la figure 12 est constante : la température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser est la même au cours du balayage du laser et du procédé de fabrication. Cette température peut être nommée température seuil Ts. La courbe de la vitesse de balayage du faisceau laser 134 au cours du temps présente des zones de variations brusques dont la première commence un peu après une milliseconde. Ces zones de variation correspondent aux transitions d’une portion de droite à la portion de droite suivante.
La courbe 134 présente un plateau correspondant à une valeur proche de 1 m/s au cours du balayage la première portion de droite, le plateau se situant entre les instants zéro milliseconde et une milliseconde.
La courbe 134 présente ensuite un motif de variations que l’on retrouve pour chaque portion de droite : la vitesse augmente brusquement, puis elle chute avant d’augmenter à nouveau et de diminuer plus lentement jusqu’à la portion de droite suivante.
La courbe 134 ne dépasse pas la valeur de 2m/s, car la vitesse maximale de balayage sur la courbe de la vitesse 134 est limitée à 2 m/s tout au long des portions de droite de la trajectoire discontinue.
Le fait de limiter la vitesse du balayage du faisceau laser limite la stabilité de la température de la poudre au point centre du spot laser que l’on peut atteindre : la courbe 132 présente un pic à chaque début de portion balayage d’une portion de droite alors que la courbe 112 ne présente aucun pic de ce type.
L’amplitude des variations de la courbe 132 est inférieure à l’amplitude des variations de la courbe 42 : la courbe 132 évolue entre les valeurs de températures 2300K et 2700K soit un intervalle de 400K, alors que la courbe 42 évolue entre les valeurs de températures 1600K et 3100K soit un intervalle de 1500K. De plus, la courbe 132 présente pour chaque portion de droite un plateau 136, alors que la courbe 42 ne présente pas ce type de plateaux.
Les figures 13 et 14 sont relatives à un mode de balayage où la vitesse maximale du balayage du faisceau laser est limitée et où la trajectoire de balayage est continue. La figure 13 représente de manière schématique un champ de vitesse de balayage du faisceau laser envoyé vers la poudre, et la figure 14 représente de manière schématique un champ de température maximale atteinte par la poudre, lorsque la couche de poudre est balayée par le faisceau laser. La limitation de la vitesse influe sur la répartition thermique et provoque une augmentation de la température pour les zones situées sur chaque portion de droite balayée par le spot laser et balayées peu après le début du balayage de la portion de droite.
Le champ de température maximale présente dans la figure 14 une plus grande homogénéité que dans la figure 3. La température maximale est comprise entre 1800K et 3100K dans la figure 14, alors qu’elle est comprise entre 1800K et 3500K dans la figure 3.
Les températures maximales atteintes en rapport avec la figure 14 ne dépassent pas 3100K et se situent nettement en dessous de la température de vaporisation du matériau TÎ6A14V.
Les gradients de température dans le cas de la figure 14 sont plus faibles que dans le cas de la figure 3.
Estimation de la température de la poudre avant consolidation Tp - cas de deux points
La température de la poudre au point centre du spot laser représentée sur les courbes 42 de la figure 4, 62 de la figure 6, 112 de la figure 11 , et 132 de la figure 12 est estimée et dépendent notamment de la température la poudre avant consolidation qui est une estimation de la température Tp de la couche de poudre en un point de la couche de poudre juste avant que le laser ne balaie ce point.
Cette estimation prend en compte la diffusion audit point de l’énergie apportée auparavant par le laser à la couche de poudre. Par exemple, dans le cas d’une émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant un premier point, une variation de température de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, peut être estimée en fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé.
Plus précisément, cette variation de température estimée DT peut être préalablement estimée, en fonction de la distance ru entre le premier point et le deuxième point et de l’intervalle de temps prédéterminé (t2-ti), en calculant :
DT(T21, t2— £i)
Figure imgf000031_0001
Qi étant une énergie reçue par la couche au cours de l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, e étant une effusivité thermique de la couche de poudre, R étant un rayon du faisceau laser, a étant une diffusivité thermique de la couche de poudre et to est un instant prédéterminé.
to est un paramètre du modèle, définissant la borne inférieure de validité temporelle. Sa valeur peut être déterminée en fonction du pas temporel Dΐ, par exemple tel que to=10xAt, avec Dΐ = 10 micro secondes.
L’énergie Qi peut être définie comme le produit de la puissance du faisceau laser émis sur le premier point par le temps d’émission du faisceau laser sur ce premier point. Si le faisceau laser est balayé le long d’une trajectoire, il est possible de définir un pas de temps At et de diviser la trajectoire en tronçons, chaque tronçon étant balayé par le faisceau laser pendant une durée égale au pas de temps At. Si ces tronçons sont suffisamment petits, il est possible de considérer que l’énergie envoyée vers le tronçon est envoyée en un seul point du tronçon.
On se place dans le cas où le spot laser a une forme circulaire définie par un rayon R. La formule utilisée ici provient d’un modèle qui s’applique à la diffusion de la chaleur dans des solides, modèle qui peut également être appliqué aux poudres de fabrication additive solides incluant les poudres céramiques métalliques.
La formule DT(G2ΐ, t2-ti) peut être interprétée comme la variation à l’instant t2 de température de la couche de poudre au deuxième point causée par l’émission à l’instant ti du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre.
Cette formule peut être utilisée pour établir la température de la poudre au deuxième point en n’importe quel instant ultérieur à l’instant ti.
En particulier, cette formule peut être utilisée pour établir la température de la poudre avant consolidation Tp(t2) au deuxième point, c’est-à-dire la température de la poudre au deuxième point juste avant que le laser n’éclaire ce deuxième point.
La température de la poudre avant consolidation Tp(t2) au deuxième point situé à la distance ru du premier point de la couche de poudre à l’instant t2 peut être estimée à partir de la relation Tp(t2)=To+ DT(G2ΐ, t2-ti) dans laquelle To est la température initiale de la poudre.
L’émission d’un faisceau laser sur le premier point de la couche de poudre de fabrication additive a lieu à l’instant ti.
Cette estimation permet de mettre en oeuvre un procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de : application d’une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée,
émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point, le procédé comprenant en outre
un ajustement d’une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre,
une émission d’un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d’une part d’un intervalle de temps prédéterminé séparant l’émission sur le premier point et l’émission sur le deuxième point et d’autre part de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps prédéterminé.
La vitesse de balayage ajustée peut être déterminée en fonction de l’estimation de la température avant consolidation Tp(t2) d’une température seuil Ts prédéterminée et d’un pas temporel At=(t2 - ti).
La température seuil est une température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser.
La vitesse de balayage ajustée peut être déterminée par :
un calcul d’une estimation de la température de la poudre avant consolidation en différents points d’étude de la couche de poudre situés sur la trajectoire en aval du premier point de la couche de poudre, un calcul d’une estimation d’une température d’étude de la poudre au point centre du spot laser pour chacun des différents points d’étude de la couche de poudre, l’estimation dépendant de la température de la poudre avant consolidation précédemment estimée pour le point d’étude et d’une variation en température de la poudre due, au point d’étude de la couche de poudre, à l’émission d’un faisceau laser vers ledit point d’étude à l’instant t2,
une détermination du deuxième point de la couche de poudre comme le point d’étude pour lequel l’estimation de la température d’étude de la poudre au point centre du spot laser est égale à la température seuil Ts une détermination d’un vitesse de balayage ajustée comme le rapport de la distance entre le premier point et le deuxième point et le pas temporel (t2 - ti). Estimation de la température de la poudre avant consolidation Tp - cas de n points
Plus généralement, la température avant consolidation peut être estimée dans la situation d’une trajectoire dans la couche de poudre comprenant plusieurs points éclairés pas le laser.
La température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n- ème point, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, peut être estimée connaissant l’énergie apportée par le faisceau laser à la couche de poudre avant l’instant tn. Chaque i-ème point, avec i=1 , 2, ...(n-1 ), est éclairé par le faisceau laser à l’instant L et se situe au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée grâce à l’énergie Qj apportée par le faisceau laser autour de l’instant t .
La distance entre le i-ème point et le n-ème point est notée r„i.
L’apport de l’énergie Qj vers la couche de poudre, produit une variation de température estimée AT(rnj, tn-ti) à l’instant tn au n-ème point de la couche. Cette variation est calculée de la manière suivante
Figure imgf000034_0001
La somme de ces variations permet une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) de la manière suivante :
Figure imgf000034_0002
dans laquelle To est la température initiale de la poudre.
Cette estimation permet de mettre en oeuvre un procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de : ajustement d’une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn prédéterminé en un n-ème point de la couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à consolider n-1 zones de la couche de poudre, le n-ème point étant situé à la distance rni d’un i-ème point de la couche de poudre, avec i=1 , 2, ...(n-1 ), chaque i-ème point étant situé au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée et étant éclairé par le faisceau laser à l’instant t prédéterminé, de la manière suivante :
Figure imgf000035_0001
dans laquelle To est la température initiale de la poudre,
émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n-ème point de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point, la distance séparant le (n-1 ) ème point et le n-ème point étant égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps séparant l’émission sur le (n-1 ) ème point et l’émission sur le n-ème point.
La vitesse de balayage ajustée peut être déterminée en fonction de l’estimation de la température avant consolidation Tp(tn) d’une température seuil Ts prédéterminée et d’un pas temporel At=(tn - tn-i)
La vitesse de balayage ajustée peut être déterminée par :
un calcul d’une estimation de la température de la poudre avant consolidation en différents points d’étude de la couche de poudre situés sur la trajectoire en aval du (n-1 )-ème point accessible de la couche de poudre, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues, au point d’étude de la couche de poudre et à l’instant tn, à l’émission d’un faisceau laser de sorte à balayer les n-1 segments situés en amont dans la trajectoire, chacun des n-1 segments étant balayé avec une vitesse de balayage du faisceau laser précédemment calculée,
un calcul d’une estimation d’une température d’étude de la poudre au point centre du spot laser pour chacun des différents points d’étude de la couche de poudre, l’estimation dépendant de la température de la poudre avant consolidation précédemment estimée pour le point d’étude et d’une variation en température de la poudre du, au point d’étude de la couche de poudre, à l’émission d’un faisceau laser vers ledit point d’étude à l’instant tn,
une détermination d’un n-ème point de la couche de poudre comme le point d’étude pour lequel l’estimation de la température d’étude de la poudre au point centre du spot laser est égale à la température seuil Ts.
une détermination d’un vitesse de balayage ajustée comme le rapport de la distance entre le n-1 -ème point de la couche de poudre et le n-ème point précédemment déterminé et du pas temporel (tn - tn-i) prédéterminé.
Dans le cas où la vitesse du balayage du faisceau laser est limitée, la vitesse de balayage ajustée à une itération doit prendre en compte la vitesse de balayage à l’itération précédente.
Comme précédemment, le calcul de la vitesse de balayage du faisceau laser avec laquelle chaque segment est balayé est réalisé dans l’ordre de balayage des différents segments.
Pour le n-ème segment Sn, ce calcul comprend les étapes suivantes :
calcul d’une estimation de la température de la poudre avant consolidation en différents points d’étude de la couche de poudre situés sur la trajectoire en aval du (n-1 )-ème point accessible de la couche de poudre, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues, au point d’étude de la couche de poudre et à l’instant tn, à l’émission d’un faisceau laser de sorte à balayer les n-1 segments situés en amont dans la trajectoire, chacun des n-1 segments étant balayé avec une vitesse de balayage du faisceau laser précédemment calculée, calcul d’une estimation d’une température de la poudre au point centre du spot laser pour chacun des différents points d’étude de la couche de poudre, l’estimation dépendant de la température de la poudre avant consolidation précédemment estimée pour le point d’étude et d’une variation en température de la poudre due, au point d’étude de la couche de poudre, à l’émission d’un faisceau laser vers ledit point d’étude à l’instant tn, détermination d’un n-ème point idéal comme le point d’étude pour lequel l’estimation de la température d’étude de la poudre au point centre du spot laser est égale à une température seuil Ts qui est une température de la couche à atteindre sans être dépassée au point centre du spot laser, détermination d’un vitesse idéale de balayage Vj,n calculée comme le rapport de la distance entre le n-1 -ème point accessible de la couche de poudre et le n-ème point idéal au pas temporel (tn - tn-i) prédéterminé.
Cette vitesse idéale de balayage n’est pas nécessairement réalisable par l’appareil de fabrication additive. Pour prendre en compte une vitesse maximale du balayage du faisceau laser, les étapes suivantes peuvent être réalisées : détermination d’un n-ème point accessible et de la vitesse de balayage au n-ème point accessible, selon la règle de décision suivante :
si la valeur de la vitesse idéale au n-ème point idéal est inférieure ou égale à la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, alors
la vitesse de balayage au n-ème point accessible est égale à la vitesse idéale de balayage Vj,n, et
le n-ème point accessible de la couche de poudre est le n-ème point idéal,
si la valeur de la vitesse au n-ème point idéal est supérieure à la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, alors
la vitesse de balayage au n-ème point accessible est égale à la vitesse maximale réalisable par l’appareil de fabrication additive, et
le n-ème point accessible est un point situé sur la trajectoire en aval par rapport au (n-1 )-ème point idéal à une distance correspondant au produit de la vitesse de balayage au n-ème point accessible précédemment calculée et du pas temporel (tn - tn-i).
Puissance et Pas de temps
La trajectoire dans la couche de poudre, comprenant plusieurs points éclairés par le laser, peut être balayée à puissance du faisceau laser constante ou variable.
Les trajectoires balayées par le laser correspondant aux figures 2 à 14 telles qu’on les a présentées précédemment ont été décrites à plusieurs reprises comme des trajectoires balayées par le laser à puissance du faisceau laser constante.
Cependant, l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser en fonction des estimations de variation de température peut tout à fait être mis en oeuvre en utilisant des trajectoires balayées par un faisceau laser de puissance variable.
En particulier, lorsque les limites de vitesse sont atteintes et que l’homogénéité de la température reste insatisfaisante, la puissance peut être modulée pour améliorer l’homogénéité de la température.
De la même manière, les trajectoires balayées par le laser correspondant aux figures 2 à 14 telles qu’on les a présentées précédemment ont été décrites à plusieurs reprises comme des trajectoires balayées avec un pas temporel At=(tn - tn ) constant pour l’ensemble de la trajectoire.
Cependant, l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser en fonction des estimations de variation de température peut tout à fait être mis en oeuvre en utilisant un pas temporel variable.
Le pas temporel At peut être choisi variable au cours de la trajectoire. En particulier le pas temporel peut être choisi plus faible dans les situations où les vitesses de balayage ajustées successives diffèrent d’un écart relativement important, et plus important dans les situations où les vitesses de balayage ajustées successives diffèrent d’un écart relativement faible. La trajectoire peut être virtuellement découpée en segments Sn de longueur identique ou différente correspondant donc à des durées de balayage laser identiques ou différentes. Chaque segment Sn est balayé par le laser spatialement à partir d’une première extrémité correspondant au n-ème point et temporellement à partir de l’instant tn.
Objectif de température
La température seuil Ts peut être choisie en fonction d’une température de la poudre souhaitée en un point où passe le centre du spot laser et au moment du passage du laser.
Cependant, la température seuil Ts peut être choisie en fonction d’autres critères.
Les formules de variation de température telles qu’on les a décrites plus haut permettent de déterminer l’effet d’un ou plusieurs apports d’énergie à la couche de poudre en n’importe quel point et à n’importe quel instant suivant lesdits apports.
L’évolution des températures pouvant être prédite, la température seuil Ts peut notamment être choisie en fonction d’objectifs de température parmi les conditions suivantes :
une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point où passe le centre du spot laser,
une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point de la couche de poudre,
une température supérieure à ne pas dépasser au cours du temps en tout point de la couche de poudre,
une température inférieure sous laquelle ne pas passer en tout point de la poudre, ou
une combinaison de ces conditions éventuellement variable au cours du procédé de fabrication. La détermination des vitesses ajustées nécessite la détermination des estimations de variations de température de la couche de poudre aux différents points compris dans la trajectoire.
La détermination des estimations de variations de température peut être réalisée avant le début du procédé, ou bien une fois que le procédé de fabrication a débuté.
Dans le cas où l’estimation de la variation de température de la couche de poudre au n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une zone de la couche de poudre est réalisée une fois que le procédé de fabrication a commencé, il est nécessaire de disposer d’un calculateur ou un simulateur qui traite les différents points de la trajectoire suffisamment rapidement.
En particulier la vitesse à laquelle les différents points sont traités par le simulateur doit être supérieure ou au moins égale à la vitesse le faisceau laser éclaire ou balaye ces mêmes points.
Cela permet de prendre en compte tout aléa survenant pendant la production sans devoir réinitialiser la production et la simulation de température.
Voisinage temporel - voisinage spatial La détermination des vitesses ajustées prend d’autant plus de temps que l’estimation est précise c’est-à-dire que le nombre de points pris en compte est important.
Afin de limiter le temps de calcul sans détériorer la qualité de l’estimation, il est possible de définir un voisinage spatial VI et un voisinage temporel Vt qui limite le nombre de points déjà éclairés à prendre en compte dans les calculs.
Le voisinage temporel Vt représente la durée des effets thermiques du balayage d’un segment de trajectoire. Au-delà de cette durée, l’effet sur la température de la poudre de l’énergie diffusée dans l’environnement du segment balayé et apportée lors de son balayage peut être considéré comme négligeable. Le voisinage spatial VI représente la distance maximale des effets thermiques du balayage d’un segment de trajectoire. Au-delà de cette distance, l’effet sur la température de la poudre de l’énergie diffusée dans l’environnement du segment balayé et apportée lors de son balayage peut être considérée comme négligeable.
Le caractère négligeable nécessite de définir une différence seuil de température Ds. Les effets thermiques du balayage correspondant à des variations de température en deçà de cette différence, sont considérés comme négligeables.
Le voisinage temporel Vt et le voisinage spatial VI peuvent être déterminés à partir de la méthode suivante, illustrée sur la figure 15 :
Dans une première étape, les informations suivantes sont mises en mémoire dans le simulateur :
les paramètres du procédé de balayage laser (puissance du faisceau laser et rayon du faisceau laser, vitesse de balayage du laser), les paramètres du matériau (conductivité thermique, capacité thermique, densité, température de fusion et température initiale de la poudre To),
les coordonnées d’une trajectoire de type portion de droite.
Dans une deuxième étape, le simulateur délivre une estimation de la température de la poudre dans un domaine spatial prédéfini qui comprend la trajectoire définie à l’étape précédente.
L’estimation de la température délivrée par le simulateur correspond à la température de la poudre à un instant prédéfini située temporellement à la fin du balayage de l’ensemble de la trajectoire par le laser après un temps de thermalisation de la poudre.
Cette estimation peut être calculée à partir des éléments que l’on a déjà définis précédemment comme le découpage virtuel de la trajectoire en segments et la somme de variations de température en différents points du domaine spatial dues au balayage de chaque segment par le laser.
On obtient à l’issue de la deuxième étape une carte des températures de la poudre dans le domaine spatial prédéfini à l’instant prédéfini. Dans une troisième étape, une courbe isotherme correspondant à la somme To+Ds de la température initiale de la poudre To et de la différence seuil de température Ds est déterminée au sein de la carte des températures obtenue à la deuxième étape. Cette courbe isotherme correspond à une élévation en température de la différence seuil de température Ds.
Dans une quatrième étape, le voisinage spatial est déterminé comme la distance maximale dans la direction perpendiculaire à la trajectoire de type portion de droite entre deux points de la courbe isotherme déterminée à l’étape précédente.
Dans une cinquième étape, le voisinage temporel est déterminé comme le rapport sur la vitesse de balayage du laser de la distance maximale dans la direction de la trajectoire de type portion de droite entre deux points de la courbe isotherme déterminée à la troisième étape.
La figure 16 représente les distances utiles pour déterminer le voisinage spatial et le voisinage temporel.
L’axe X représenté sur la figure 16 représente la direction de la portion de droite de la trajectoire définie dans la première étape de la méthode précédente. La trajectoire est balayée dans le sens des X croissants. L’axe Y représente la direction perpendiculaire à la trajectoire de type portion de droite.
La courbe fermée 160 représente la courbe isotherme définie lors de la troisième étape de la méthode précédente.
Le voisinage spatial correspond à la longueur du segment 161.
La distance maximale entre deux points de la courbe isotherme déterminée à la troisième étape dans la direction de la trajectoire de type portion de droite correspond à la longueur du segment 162.
Le rapport de la longueur du segment 162 sur la vitesse de balayage permet de définir le voisinage temporel. Une fois le voisinage spatial VI et le voisinage temporel Vt déterminés, ces données peuvent être utilisées pour limiter le temps de calcul pour prédéterminer les variations de température permettant de calculer les vitesses ajustées dans le procédé de fabrication additive sélective.
Plus précisément, l’estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp à un instant tn en un n-ème point de la couche, peut être menée en prenant en considération les variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à éclairer n-1 points de la couche de poudre, chaque i-ème point, avec i=1 , 2, ...(n-1 ), est éclairé par le faisceau laser à l’instant t et se trouve situé à une distance rni du n-ème point de la couche de poudre, tels que pour chaque i=1 , 2, ...(n-1 ), les inégalités suivantes sont respectées : rni <Vl et | tn-t | <Vt.
L'appareil 121 de fabrication additive sélective représenté sur la figure 1 et tel qu’on la précédemment présenté comprend l’unité de contrôle 129 qui peut être configurée pour commander la source de type laser 1212 de sorte que la source émette un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point.
L’appareil 121 de fabrication additive sélective peut comprendre une mémoire M pour mémoriser une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, la variation de température estimée étant fonction de la distance entre le premier point et le deuxième point et d’un intervalle de temps prédéterminé,
L’unité de contrôle 129 peut être configurée pour :
ajuster une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction de la variation de température estimée mémorisée dans la mémoire, commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d’une part d’un intervalle de temps prédéterminé séparant l’émission sur le premier point et l’émission sur le deuxième point et d’autre part de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps prédéterminé. L’appareil 121 de fabrication additive sélective peut également comprendre un calculateur ou un simulateur C représenté sur la figure 1 pour déterminer des estimations de variations de température une fois que le procédé de fabrication a débuté. Le calculateur ou le simulateur C est adapté pour traiter les différents points de la trajectoire suffisamment rapidement, en particulier le temps durant lequel les différents points sont traités par le calculateur ou le simulateur doit être inférieur ou au moins égal au temps mis par le faisceau laser à éclairer ou balayer ces mêmes points.
Un tel calculateur ou simulateur C peut collaborer avec la mémoire M de façon à mémoriser les estimations de variations de température une fois qu’elles ont été produites.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication additive sélective d’un objet tridimensionnel à partir d’une couche de poudre, le procédé comprenant les étapes de : - application d’une couche de poudre de fabrication additive sur un support ou sur une couche préalablement consolidée,
- émission d’un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre
- un ajustement d’une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point distinct du premier point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre,
- une émission d’un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d’un intervalle de temps prédéterminé séparant l’émission sur le premier point et l’émission sur le deuxième point et de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps prédéterminé.
2. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1 , dans lequel la variation de température estimée DT est préalablement estimée, en fonction de la distance ru entre le premier point et le deuxième point et de l’intervalle de temps prédéterminé (t2-ti), en calculant :
Figure imgf000045_0001
Qiétant une énergie reçue par la couche au cours de l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, e étant une effusivité thermique de la couche de poudre, R étant un rayon du faisceau laser, a étant une diffusivité thermique de la couche de poudre et to est un instant prédéterminé.
3. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre des étapes de :
- ajustement d’une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn prédéterminé en un n-ème point de la couche, n étant un nombre entier supérieur ou égal à deux, l’estimation dépendant des variations en température de la poudre dues à l’émission d’un faisceau laser de sorte à consolider n-1 zones de la couche de poudre, le n-ème point étant situé à la distance rni d’un i-ème point de la couche de poudre, avec i=1 , 2, ...(n-1 ) chaque i-ème point étant situé au sein d’une i-ème zone de la couche de poudre consolidée et étant éclairé par le faisceau laser à l’instant t prédéterminé, de la manière suivante :
Figure imgf000046_0001
dans laquelle To est la température initiale de la poudre,
- émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n-ème point de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point, la distance séparant le (n-1 ) ème point et le n-ème point étant égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps séparant l’émission sur le (n-1 ) ème point et l’émission sur le n- ème point.
4. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 3, dans lequel en outre chaque i-ème point des (n-1 ) premiers points de la couche est situé à une distance rni du n-ème point de la couche de poudre telle que rni <Vl dans lequel VI est un voisinage spatial prédéterminé, et chaque i-ème point correspond à un instant t d’émission du faisceau laser vers le i-ème point tel que | tn-t | <Vt, dans lequel Vt est un voisinage temporel prédéterminé, avec i=1 , 2, ...(n-1 ), et n un nombre entier supérieur ou égal à deux.
5. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser en fonction d’une estimation d’une température de la poudre avant consolidation Tp(tn) à un instant tn en un n-ème point de la couche dépend en outre d’une température seuil prédéterminée Ts.
6. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 5 dans lequel l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser dépend de la position d’un n-ème point idéal situé sur une trajectoire prédéterminée de sorte que la somme d’une estimation d’une température de préchauffage à l’instant tn au n-ème point idéal et d’une estimation d’une variation de température de la couche de poudre au n-ème point idéal due à l’émission à l’instant tn d’un faisceau laser vers le n-ème point idéal de sorte à consolider une n-ème zone de la couche de poudre comprenant le n-ème point idéal, est égale à la température seuil prédéterminée Ts.
7. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 6 dans lequel l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser dépend d’une vitesse idéale Vj,n calculée comme le rapport de la distance entre le n-1 -ème point de la couche de poudre et le n-ème point idéal sur l’intervalle de temps séparant l’émission sur le (n-1 ) ème point et l’émission sur le n-ème point.
8. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 7 dans lequel l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser prend en compte une contrainte cinématique maximale d’un appareil de fabrication additive.
9. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 8 dans lequel la contrainte cinématique maximale d’un appareil de fabrication additive est une vitesse maximale, une accélération maximale, un jerk maximal, ou un temps de traitement de commande numérique.
10. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 9 dans lequel la contrainte cinématique maximale d’un appareil de fabrication additive est une vitesse maximale, l’ajustement de la vitesse de balayage du faisceau laser commandant la vitesse de balayage à la vitesse idéale Vj,n lorsque ladite vitesse idéale Vj,n est inférieure ou égale à la vitesse maximale du balayage du faisceau laser et à la vitesse maximale du balayage du faisceau laser dans le cas contraire.
11. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la température seuil Ts est prédéterminée en fonction d’au moins un objectif de température choisi parmi les conditions suivantes :
- une température de la poudre à atteindre en un point où passe le centre du spot laser et au moment du passage du laser,
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point où passe le centre du spot laser,
- une température de la poudre maximale atteinte au cours du temps en un point de la couche de poudre,
- une température supérieure à ne pas dépasser au cours du temps en tout point de la couche de poudre,
- une température inférieure sous laquelle ne pas passer en tout point de la poudre, ou
- une combinaison de ces conditions éventuellement variable au cours du procédé de fabrication.
12. Procédé de fabrication additive sélective selon la revendication 1 à 11 dans lequel le laser balaye une trajectoire discontinue comprenant un premier groupe de portions de droites parallèles entre elles.
13. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , dans lequel le laser balaye une trajectoire continue comprenant le premier groupe de portions de droites parallèles entre elles et un deuxième groupe de portions de droites, chaque portion de droite du deuxième groupe joignant une première extrémité d’une première portion de droite du premier groupe et une deuxième extrémité d’une deuxième portion de droite du premier groupe, la deuxième portion de droite étant voisine de la première portion de droite.
14. Procédé de fabrication additive sélective selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, dans lequel l’estimation de la variation de température de la couche de poudre au n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre est réalisée une fois que le procédé de fabrication a commencé.
15. Appareil de fabrication additive sélective (121 ) d’un objet tridimensionnel (122) à partir d’une couche de poudre, l’appareil comprenant :
- une source de type laser (1212),
- une unité de contrôle (129) configurée pour commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur un premier point de la couche de poudre de fabrication additive, de sorte à consolider une première zone de la couche de poudre comprenant le premier point,
l’appareil étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre :
- une mémoire (M) pour mémoriser une variation de température estimée de la couche de poudre en un deuxième point de la couche de poudre causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider la première zone de la couche de poudre, et dans lequel l’unité de contrôle est configurée pour :
- ajuster une vitesse de balayage du faisceau laser en fonction de la variation de température estimée mémorisée dans la mémoire,
- commander la source de type laser de sorte que la source émette un faisceau laser sur le deuxième point de sorte à consolider une deuxième zone de la couche de poudre comprenant le deuxième point, la variation de température estimée étant fonction d’une part d’un intervalle de temps prédéterminé séparant l’émission sur le premier point et l’émission sur le deuxième point et d’autre part de la distance séparant le premier point et le deuxième point qui est égale au produit de la vitesse de balayage ajustée par l’intervalle de temps prédéterminé.
16. Appareil de fabrication additive sélective (121 ) d’un objet tridimensionnel (122) selon la revendication 15, comprenant en outre un calculateur ou un simulateur (C) adapté pour déterminer des estimations de variations de température de la couche de poudre en un n-ème point causée par l’émission du faisceau laser de sorte à consolider une ou plusieurs zones de la couche de poudre une fois que le procédé de fabrication a débuté.
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